Contrôle de Niveau d'Eau Connecté

 

Contrôle de Niveau d'Eau Connecté

 

Dans un article précédent j'ai présenté la réalisation d'un surpresseur.

Ce surpresseur est alimenté en eau de pluie. Comme il est situé en cave, ainsi que les réservoirs, et qu'aucune possibilité d'évacuation du trop-plein n'est possible, j'ai décidé de lui adjoindre un circuit de contrôle du niveau dans le réservoir.

Ce circuit a trois fonctions :

• pouvoir contrôler le niveau d'eau à distance
• fermer ou ouvrir l'arrivée d'eau à l'aide d'une vanne motorisée
• gestion du manque d'eau dans le réservoir
  

Le choix des réservoirs hors sol est motivé uniquement pas le coût beaucoup plus faible (120€ pour 1500 litres) et la facilité de mise en oeuvre, par rapport à une solution à base de cuve enterrée (300€ pour 1500 litres, sans les travaux).

Avec une cuve enterrée, en général, une évacuation du trop-plein est prévue, et le dispositif décrit ici n'a aucun intérêt, sauf bien sûr si l'on veut connaître le niveau d'eau sans avoir à soulever le couvercle.

Avant tout, dans tous les cas, la couverture WIFI à l'endroit où se trouve la cuve doit être vérifiée, car ce montage utilise un ESP8266 (WEMOS D1 MINI). Dans mon habitation, le système est en cave, et le niveau du signal est correct (-83dBm).

Si l'ESP8266 ne parvient pas à se connecter à la box, il est possible de le configurer en point d'accès avec un SSID de son choix, on pourra ainsi consulter le niveau en se connectant à ce SSID avec son téléphone.

Malgré la taille réduite de ce projet un certain nombre de sujets seront abordés :

• mesure de distances à l'aide d'un capteur à ultrasons
  
• implémentation d'un serveur WEB ASyncWebServer
• utilisation des templates
  
• servir un fichier JavaScript
• servir des images
• utiliser la classe Ticker
• reconnexion automatique au réseau WIFI

Ce projet pourra également être utilisé pour mesurer la quantité de liquide restant dans une cuve quelconque, fioul par exemple.

1. Description

1.1. Le capteur

Il existe plusieurs possibilités :

1.1.1. Capteur à contact

On peut monter un ensemble de capteurs de niveau de ce type le long de la paroi de la cuve :

Cela implique pas mal de câblage si les capteurs sont nombreux.

1.1.2. Capteur de pression

On peut également utiliser un capteur de pression :

Mais la pression dans un réservoir d'eau est faible, environ 0.1 bar pour une hauteur de 1 mètre, difficilement mesurable, à moins de disposer d'un capteur ultra-sensible. L'autre inconvénient est qu'un capteur de ce type pourra difficilement être monté sur une cuve enterrée.

1.1.3. Capteur à ultrasons

Il reste une solution : le capteur à ultrasons, fixé sous le couvercle du réservoir. Il en existe plusieurs modèles :

1.1.3.1. HC-SR04

Celui-ci est le plus connu :

Capteur HC-SR04

Le problème est que la condensation sous le couvercle du réservoir est importante, et il serait étonnant qu'un capteur de ce type résiste bien longtemps. Mais on peut prévoir une rehausse suffisamment aérée pour qu'il ne souffre pas trop de l'humidité.

Ce capteur donne d'excellents résultats de mesure.

1.1.3.2. JSN-SR04T

En cherchant un peu j'ai découvert qu'il existe un modèle étanche, utilisé souvent comme capteur de distance pour fabriquer des radars de recul pour véhicule :

Capteur JSN-SR04T

Le capteur est déporté à l'aide d'un câble, et la carte électronique peut être installée au sec, à côté d'un ARDUINO ou d'un autre microcontrôleur.

Un des avantages de ce module est que l'on peut l'alimenter sous 3.3V ou 5V.

Il ne m'a pas donné satisfaction. Voir plus loin : 5. Essais

1.1.3.3. DYP-A02YY

Ce troisième modèle, étanche également, est aussi sur la liste des candidats :

Capteur DYP-A02YY

Le câble est court, il nécessitera une rallonge. Son prix est assez élevé, une vingtaine d'euros, par contre son fonctionnement est aussi satisfaisant que celui du HC-SR04.

1.2. Le microcontrôleur

Comme je désire pouvoir consulter facilement le niveau d'eau, le microcontrôleur choisi est une carte WEMOS D1 MINI, disposant du WIFI :

Le but est d'en faire un serveur WEB, consultable à distance.

A noter : le logiciel est petit et peut aisément se contenter de 1Mb de mémoire FLASH. Une WEMOS D1 MINI LITE suffit amplement.

1.3. La vanne

La vanne est un modèle motorisé :

Elle se commande à l'aide de trois fils, en 230V : 

• jaune : neutre
• bleu : ouverture
• marron : fermeture

Pour ouvrir ou fermer il suffit d'appliquer du 230V sur le fil bleu ou marron pendant une dizaine de secondes.

Une vanne de ce type équipe déjà mon arrosage automatisé depuis plus de 5 ans. Je ne peux que constater sa grande fiabilité.

Elle est commandée par deux relais du type SONGLE SRD-05VDC-SL-C :

Bien entendu, si l'on a besoin d'une simple surveillance de niveau, sur une cuve enterrée par exemple, sans commande de vanne, la vanne et ses relais sont inutiles.

1.4. Sécurité

Afin d'apporter une sécurité supplémentaire, un capteur de niveau optionnel est installé en haut du réservoir :

 

Lorsque le niveau maximal est atteint, le contact ILS se ferme, et le microcontrôleur ferme la vanne.

Ici aussi, si l'on a besoin d'une simple surveillance de niveau, sur une cuve enterrée par exemple, ce capteur est inutile.

1.5. Gestion du manque d'eau

Lorsque le réservoir est presque vide, il faut éviter que le pressostat puisse enclencher la pompe, car celle-ci tournerait indéfiniment.

Cette gestion peut également être confiée à ce montage, qui est équipé d'un relais de coupure du surpresseur. Ce relais est bistable, car j'ai horreur de laisser une bobine de relais sous tension en permanence, pour des raisons de consommation et de dissipation calorique.

Le modèle choisi est un OMRON G5RL-K1A-E-5DC (SPST). On peut également adopter un OMRON G5RL-K1-E-5DC (SPDT), en coupant les pattes NF (contact Normalemant Fermé).

Cette gestion peut aussi être réalisée classiquement à l'aide d'un flotteur à bille, en série avec le surpresseur, donc de manière totalement indépendante :

Pour les personnes possédant un surpresseur du commerce, cette gestion est normalement assurée par celui-ci.

2. Le schéma

Celui-ci est assez simple :

Le schéma est réalisé à l'aide de KICAD.

Le choix des GPIOs n'est pas fait au hasard. Ni GPIO0 ni GPIO2 ne peuvent être utilisées pour le pilotage des relais, car si elles sont ramenées à GND par les résistances de base des transistors pendant le démarrage, l'ESP8266 ne démarrera pas :

https://randomnerdtutorials.com/esp8266-pinout-reference-gpios/

La carte accepte les trois modules JSN-SR04T, DYP-A02YY et HC-SR04.

Le connecteur du module JSN-SR04T est directement implanté sur la carte. Il sera donc relié à son capteur à l'aide du câble livré (longueur 2m). Il est alimenté sous 3.3V. Mais comme dit plus haut, ce capteur n'est pas assez fiable. Je conserve tout de même cette possibilité, au cas où une version plus fiable soit mise sur le marché.

Le module HC-SR04 ou DYP-A02YY est raccordé via un câble à 4 fils sur le connecteur J1. Il est alimenté sous 5V et un pont diviseur R5/R6 abaisse le signal ECHO à 3.3V, pour qu'il soit acceptable sans problème par l'ESP8266.

Les relais K1 et K2 permettent l'ouverture et la fermeture de la vanne. Le relais K3 permet de couper le surpresseur au cas où le niveau d'eau est trop bas. Il s'agit d'un relais bistable 16A, qui devrait être suffisant pour la majeure partie des pompes (3KW grand maxi).

Trois varistances 275V absorbent les surtensions éventuelles du moteur de la vanne et de la pompe.

Si l'on a besoin d'une simple surveillance de niveau, sur une cuve enterrée par exemple, sans commande de vanne, ni détecteur de niveau, il suffit de ne pas raccorder les relais et le capteur.

2.1. La réalisation avec PCB

Si l'on désire réaliser le PCB fourni dans le dossier KICAD, celui-ci intègre une alimentation HI-LINK HLK-PM01 5V d'une puissance de 3W, très courante : 3.50€ sur AliExpress :

La carte est étudiée pour être logée dans un boîtier pour rail DIN KRADEX Z110 :

Mais on peut utiliser n'importe quel boîtier ayant des dimensions intérieures d'au moins 100mm x 100mm.

2.2. La réalisation sans PCB

Pour une réalisation sans PCB, on peut adopter une alimentation USB fiable et la relier au connecteur USB de la D1 MINI :

MeanWell SGA12E05-USB 5V 2.4A

On pourra remplacer les 2 relais et leurs transistors de commande par un module du commerce :

 

Par contre il sera difficile de trouver un module relais bistable pour la gestion du manque d'eau. Il est facile d'en réaliser un :

Modules à relais DIY

Voir le paragraphe 3.2.1. Module relais bistable double bobine

Les connexions 230V, vanne, surpresseur et capteur pourront être réalisées en utilisant un bloc DOMINO ou un bornier à vis, qui pourront aussi accueillir les varistances :

Le module capteur et les modules relais peuvent être reliés à la D1 MINI par des fils DUPONT. Ce n'est certainement pas la solution la plus fiable, mais si l'on vérifie bien la bonne tenue des fils sur les connecteurs, elle peut l'être.

3. L'IDE ARDUINO

Il faut bien entendu installer le package ESP8266, si ce n'est pas déjà fait : 

https://arduino-esp8266.readthedocs.io/en/latest/installing.html

Ensuite il faudra installer les librairies suivantes :

ESPAsyncWebServer : https://github.com/me-no-dev/ESPAsyncWebServer 

ESPAsyncTCP : https://github.com/me-no-dev/ESPAsyncTCP

NewPingESP8266 : https://github.com/jshaw/NewPingESP8266.git

Pour récupérer le projet voir plus bas :  7. Téléchargements.

4. Le code

Le code se compose de 6 fichiers :

• commande de la vanne : valve.cpp + valve.h
• mesure de distance : jsnsr04t.cpp.cpp + jsnsr04t.cpp.h
• affichage à la console: debug.h
• l'application : level-control.ino

4.1. AsyncWebServer

L'unique page HTML est créée non pas à l'aide de lignes de code, ni à l'aide d'une chaîne de caractères constante, comme on le voit souvent, mais à l'aide d'un fichier HTML stocké dans le système de fichiers SPIFFS. Ce fichier comporte des balises %VOLUME%, %REMAIN%, %VALVE% (volume total, volume restant, état de la vanne), qui seront remplacées par leur valeur par un template processor. Cet outil est fourni par le serveur AsyncWebServer.

Voici le template processor :

String templateProcessor(const String& var)
{
  if (var == "BOOT") {
    return timeBuffer;
  }
  if (var == "CONNECTIONS") {
    return String(connections);
  }
  if (var == "VOLUME") {
    return String(TOTAL_VOLUME);
  }

  if (var == "RSSI") {

    return String(WiFi.RSSI());

  }

  if (var == "REMAIN") {
    return String((int)remainingVolume);
  }
  if (var == "VALVE") {
    return valve.state() == IS_OPEN || valve.state() == IS_OPENING ? "/open.jpg" : "/closed.jpg";
  }
  return "";
}

Et voici le handler traitant l'URL principale :

  server.on("/", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest * request) {
    request->send(SPIFFS, "/index.html", "text/html", false, templateProcessor);
  });

Une seule ligne de code permet d'indiquer au serveur que la page /index.html située dans le système de fichiers SPIFFS doit être renvoyée au client, en la traitant au préalable à l'aide de la fonction templateProcessor().

Quand on a goûté aux templates il est difficile de s'en passer. On trouve beaucoup de tutoriels :

https://techtutorialsx.com/2018/07/22/esp32-arduino-http-server-template-processing/

4.2. Ticker

L'ouverture et la fermeture de la vanne motorisée dure une dizaine de secondes. Lorsque l'ouverture ou de fermeture est commandée, il faut activer un des deux relais pendant au moins dix secondes, avant de la désactiver.

Si cette temporisation est implémentée à l'aide de delay(), cela bloque le microcontrôleur pendant la durée de la temporisation, et le serveur WEB sera inaccessible. On pourrait envisager une implémentation à l'aide de millis(), mais cela implique d'appeler en boucle une fonction de surveillance du temps dans la fonction loop(). Ce n'est pas très élégant ni efficace, car cela mobilise une grande partie du temps CPU.

Nous allons voir comment coder cette temporisation de manière élégante à l'aide d'un timer. Prenons comme exemple l'ouverture :

Ticker timer;

void Valve::open(void)
{
  log_printf(">>>> OPEN VALVE (valve is %s)\n", valveStateName[m_state]);
  if (m_state == IS_CLOSED) {
    m_state = IS_OPENING;
    digitalWrite(OPEN_PIN, HIGH);
    timer.attach(OPEN_TIME, changeState, this);
  }
}

• si la vanne est dans l'état IS_CLOSED
  
• l'état de la vanne est modifié : IS_OPENING
  
• la sortie OPEN_PIN est activée (commande du relais)
  
• un timer de 20 secondes est démarré en lui donnant comme argument la durée, l'adresse de la fonction à appeler, et l'adresse de l'objet concerné (this)
  

Lorsque le timer arrive à échéance la fonction changeState() est appelée :

void changeState(Valve *v)
{
  if (v->state() == IS_OPENING) {
    v->isOpen();
  }
  else if (v->state() == IS_CLOSING) {
    v->isClosed();
  }
  timer.detach();
}

• la méthode isOpen() est appellée
• le timer est désactivé

void Valve::isOpen(void)
{
  log_println(">>>> VALVE is OPEN");
  m_state = IS_OPEN;
  digitalWrite(OPEN_PIN, LOW);
}

• l'état de la vanne est modifié : IS_OPEN
• la sortie OPEN_PIN est désactivée

Avec un ESP8266, Ticker est une manière très élégante d'implémenter des temporisations efficaces, sans pour autant surveiller le temps à l'aide des techniques ARDUINO habituelles (delay, millis).

4.3. Reconnexion automatique

La reconnexion au réseau WIFI est automatique, grâce à la mise en place de handlers dans la fonction Setup() :

  stationConnectedHandler = WiFi.onStationModeConnected(onStationConnected);
  stationDisconnectedHandler = WiFi.onStationModeDisconnected(onStationDisconnected);
  stationGotIpHandler = WiFi.onStationModeGotIP(onStationGotIP);

Voir cet article :

ESP8266 & ESP32 : Connexion au Réseau WIFI

4.4. Personnalisation

Le sketch comporte un certain nombre de constantes :

#define TANKS           3       // number of tanks
#define TOTAL_VOLUME    1530    // total tank volume
#define MAX_VOLUME      1400    // maximal tank admitted volume
#define MIN_VOLUME      200     // minimal tank volume
#define TOTAL_HEIGHT    100.0   // height of the tank in cm
#define TOP_RADIUS      45.0    // tank's top radius in cm
#define BOTTOM_RADIUS   35.0    // tank's bottom radius in cm
#define MIN_DISTANCE    22.0    // distance between tank's top level and JSNSR04T in cm. must be > minimal JSNSR04T distance

TANKS représente le nombre de réservoirs, 3 dans mon cas.

TOTAL_VOLUME est le volume total des réservoirs.

MAX_VOLUME est le volume d'eau maximal admis.

MIN_VOLUME est le volume d'eau minimal en dessous duquel il faut couper le surpresseur.

TOTAL_HEIGHT est la hauteur d'un réservoir.

TOP_RADIUS est le rayon supérieur du réservoir.

BOTTOM_RADIUS est le rayon inférieur du réservoir.

MIN_DISTANCE est la distance mesurée entre le capteur à ultrasons et la surface de l'eau, lorsque le réservoir est plein. S'il s'agit d'un JSN-SR04T elle ne peut être inférieure à 20cm, car c'est la distance minimale mesurable par ce capteur. Les autres capteurs acceptent une distance minimale de 2 à 3cm.

La mesure du volume d'eau est adaptée à des réservoirs coniques. Si l'on dispose d'un réservoir parallélépipédique, il suffit d'adapter le calcul effectué dans la fonction getVolume(). Toutes les dimensions sont exprimées en cm.

La fermeture de la vanne est ordonnée lorsque le volume d'eau est supérieur à MAX_VOLUME, et l'ouverture lorsque le volume d'eau est inférieur à 95% de MAX_VOLUME. Il s'agit d'un hystérésis, qui permet d'éviter de commander la vanne en boucle ouverture/fermeture si le niveau est aux alentours de la valeur de consigne, et donc de palier aux imprécisions de mesure.

Enfin, il faudra bien entendu remplacer les valeurs des variables ssid et password par ses propres identifiants d'accès au réseau WIFI :

const char* ssid = "........";
const char* password = "........";

4.5. Ressources WEB

Le projet comporte également un répertoire data, contenant un certain nombre de fichiers :

• index.html : la page HTML
  
• gauge.js : le code source de la jauge
  
• open.jpg, close.jpg : les images
  

Ces ressources doivent être chargées dans la mémoire FLASH de l'ESP8266 à l'aide du menu "Outils/Sketch Data Upload".

Avant cela, si ce n'est pas déjà fait, il faut installer le plugin :
https://github.com/esp8266/arduino-esp8266fs-plugin

5. Essais

Un premier essai sur table permet de constater que l'on peut facilement mesurer une distance avec le capteur JSN-SR04T ou HC-SR04, et ceci avec le même code.

La mesure à l'aide du HC-SR04 s'avère beaucoup plus stable. D'autre part pour un objet situé à 30cm le JSN-SR04T annonce des valeurs aberrantes, ZÉRO ou supérieures à 2 mètres, de temps à autre. Mon exemplaire est-il défectueux ? C'est pour cette raison que les valeurs sont filtrées dans le code, seules les valeurs comprises entre 5cm et 150cm sont retenues.

La distance minimale mesurable par le JSN-SR04T est de 20cm. s'il est situé trop près de la surface de l'eau, la mesure sera égale à ZÉRO. Il faut donc pratiquer une ouverture de grand diamètre (15cm) dans le couvercle et surélever le capteur.

Après quelques heures de fonctionnement correct avec le JSN-SR04T, la distance mesurée est systématiquement ZÉRO. Je préfère abandonner le JSN-SR04T au profit du HC-SR04 ou du DYP-A02YY.

Capteur HC-SR04

La distance minimale mesurable par le HC-SR04 est de 2cm, moins problématique. Mais il faudra prévoir tout de même une rehausse bien aérée, afin qu'il ne soit pas trop exposé à l'humidité.

Il faudra probablement fabriquer un support adapté, avec deux trous de 11mm et le poser sur la rehausse, sans fermer celle-ci, afin d'éviter la condensation. Une application de vernis de tropicalisation est également conseillée.

Le DYP-A02YY, étanche, donne un résultat aussi bon que le HC-SR04. La distance de mesure minimale est de 3cm. C'est donc le capteur que j'ai choisi. Avantage supplémentaire : il n'aura pas besoin d'être rehaussé.

Pour le JSN-SR04T et le HC-SR04 j'ai utilisé une rehausse de 15cm de diamètre et de 12cm de longueur, et monté le capteur sur un support percé, posé sur cette rehausse. Comme le couvercle a une hauteur de 10cm, la distance entre le capteur et la surface de l'eau est donc de 22cm :

Sur une cuve enterrée, on fixera le capteur directement dans deux trous pratiqués dans le couvercle. En général l'ouverture d'accès est suffisamment haute et garantira une distance minimale de 50 à 60 cm entre le capteur et la surface de l'eau. Si ce n'est pas le cas il faudra également prévoir une rehausse.

Le problème avec une cuve enterrée est que certaines sont équipées d'un pré-filtre du type panier suspendu sous l'arrivée d'eau, dans l'ouverture d'accès, qui empêchera le passage des ultrasons. Si possible il vaut mieux déporter ce pré-filtre en amont, à côté de la cuve, afin de laisser l'ouverture d'accès libre.

6. Photos

Voici le montage que j'avais utilisé pour le JSN-SR04T. Une boîte de fromage blanc, en polyéthylène assez épais, sert de rehausse, après en avoir éliminé le fond. La rondelle découpée dans le couvercle est utilisée comme support pour le capteur. Il ne reste qu'à coller le tout, par exemple à la colle chaude :

Voici une photo du résultat sur le navigateur du smartphone :

A titre d'information, un objet JavaScript gauge est utilisé. Il provient de ce site :

https://www.cssscript.com/customizable-gauge-canvas/

Le fichier JavaScript gauge.js est déjà dans le dossier data du projet. Il n'y a aucun besoin de le télécharger.

Une image est affichée en dessous de la jauge, indiquant que la vanne est fermée. Une autre image sera affichée si elle est ouverte :

7. Téléchargements

Pour télécharger le projet : https://bitbucket.org/henri_bachetti/rainwater-tank.git

Cette page donne toutes les informations nécessaires :

https://riton-duino.blogspot.com/p/migration-sous-bitbucket.html

Le projet contient un répertoire level-control, dans lequel se trouvent les dossiers KICAD et ARDUINO.

8. Conclusion

Ce petit système fonctionne parfaitement bien, et ceci pour un prix de revient relativement modique, surtout si l'on n'a pas besoin de vanne d'arrivée d'eau, ni de capteur de niveau, ni de relais de coupure du surpresseur.

Il ne reste plus qu'à réaliser le PCB et intégrer celui-ci dans un boîtier. Quelques photos seront publiées sous peu.

Dernier point : j'espère en avoir convaincu plus d'un qu'utiliser AsyncWebServer était un bon moyen d'économiser son temps.

Cordialement
Henri