מכשיר JavaStation (מילוי עצמי מלא אוטומטי של מכונת קפה IoT): 9 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:16

מטרתו של פרויקט זה הייתה לייצר מכונת קפה בשליטה אוטומטית מלאה אשר ממלאת עצמה במים וכל מה שאתה באמת צריך לעשות זה להחליף את הלקוחות ולשתות את הקפה שלך;)

שלב 1: מבוא

מכיוון שזו הייתה אופנת הקפה השנייה שלי למדתי הרבה בתהליך, במיוחד שככל שתשנה את המכונה המורכבת יותר כך תיתקל יותר בעיות/באגים במהלך הפעולה היומיומית. המכונה הקודמת הייתה פשוט מכונת קפה ישנה פשוטה עם מתג אחד ומודרנית ממסר.

ה- Circolo (גרסה אוטומטית מלאה) היא מכונת הפרימיום הגבוהה ביותר של דולצ'ה גוסטו. הייתי צריך להשקיע שעות בחיפוש אחר המכונה הנכונה מכיוון שכל המכונות האחרות מסדרה זו משתמשות בידית המכנית העליונה כדי לעבור בין זרימת מים קרים וחמים כפי שמוצג בתמונה.

שלב 2: בחר את המכונה הנכונה

מכונת הבסיס שלי היא לא רק אוטומטית לחלוטין, אלא יש לה תכונות יוצאות דופן כמו כיבוי אוטומטי לאחר 5 דקות וזכירה עד כמות הקפה האחרונה (מה שהופך את הדברים להרבה יותר קלים בהמשך השינוי). הפעולה הבסיסית של המכונה:

1, לחצן ההפעלה נדחק

2, כפתור מים קרים נלחץ (הוא יפזר מיד מים לכוס)

3, כפתור מים חמים נלחץ (הוא יחמם את הדוד ~ 20-60 שניות ומתחיל לשחרר מים חמים לכוס) נורית ההפעלה תהבהב באדום במהלך תקופת ההמתנה ואז ירוקה לצמיתות כאשר הדוד מוכן.

למכונה זו יש גם את האפשרות לזהות את השגיאות הבאות:

מיכל המים ריק

מחזיק גביע אינו במקומו

בשני המקרים נורית ההפעלה תבהב בין אדום/ירוק.

שלב 3: שינויי חומרה

בכתיבה זו לא אפרט על פירוק והרכבת התיק מחדש מכיוון שיש סרטונים בנושא ביוטיוב. המיקרו -מעבד הראשי מוסתר ממש מתחת ללוח הראש שבו נמצאים 2 המתגים. הדוד נמצא בצד ימין של המארז מופרד מכל השאר, המשאבה ולוח אספקת החשמל נמצאים בצד שמאל.

מכונת קפה היא סביבה כבדה לאלקטרוניקה, אף אחד מהצדדים אינו מתאים לחלוטין לשילוב מעגל. לימין בדוד יש יותר מקום אבל תתמודד עם חום, ברור שהמעגל לא יכול לגעת בצלחת הדוד או אפילו להיות בקרבתו. בחרתי בצד אספקת החשמל / משאבה, אך כאן עליך להתמודד עם תהודה כבדה הנובעת מהפעולה של משאבת הממברנה שיכולה להרוס את מעגל הבקרה / לגרום לחוטים להחליק מהמחברים שלהם לאורך זמן.

לוח אספקת החשמל אינו מכיל שום דבר שימושי, אך ניתן להשתמש בו כדי להעלות יציבה +5V (עוד אגודל למעלה למכונה זו) אותה ניתן לחבר ישירות לסיכת ה- VIN של Arduino תוך עקיפת וסת המתח המשולב.

רשימת חומרה מהירה (לא מלא BOM, אינה כוללת את היסודות):

1. גרסה אוטומטית מלאה של דולצ'ה גוסטו סירקולו
2. מודול ממסר 5V 4 ערוצים עם מצמד אופטי עבור PIC AVR DSP (אני מציע להשתמש בממסר מתג קנים SIP-1A05 4x)
3. Arduino Micro (אני מציע להשתמש ב- SparkFun Pro Micro או חדש יותר בעתיד)
4. 2 יחידות 4n35 FSC אופוטוקולר פוטוטרנזיסטור
5. 1/2 "שסתום סולנואיד חשמלי לאוויר מים N/C סגור בדרך כלל DC 12V
6. מודול אולטרסאונד HC-SR04 חיישן מתמר למרחקים (קנה כמה תוספות, תראה בהמשך מדוע)
7. 2 יחידות מודול חיישן גילוי לחות טיפת גשם מודול זיהוי גשם עבור Arduino
8. 1 Xbee
9. אביזרי צנרת לבלוקים של מים (יכולים להשתנות בהתאם לביתם, הכי טוב לקנות אותו בחנות לחומרי בניין ולחבר את הכל שם לפני הקנייה)

שלב 4: חיבורים מרכזיים ולוח הבקר

יש לחבר את נקודות המעגל הבאות:

1, כפתור חם

2, כפתור קר

3, אדום הוביל

4, ירוק הוביל

5, כפתור ההפעלה הראשי

6, GND משותף

לרוע המזל איבדתי את ההערות/תמונות שלי היכן ניתן להלחים אותן על הלוח, אך ניתן לעקוב אחריהן בקלות במולטימטר (פשוט השתמש במצב בדיקת דיודה כדי לעקוב אחר החוטים לאחור). ההלחמה לא הייתה קשה מדי, בחר נקודות עם רגלי SMD והלחם את החוטים שם.

נוריות הנורית האדומות/ירוקות ממוקמות זו לצד זו במתג ההפעלה. הם נחוצים לקביעת מצבי המכונה (מופעלים, מוכנים להכנת קפה (הדוד מחומם), שגיאה). הורדתי אותם ישירות מהלוח הראשי, כי קשה להתעסק עם המעגל הקטן סביב מתג ההפעלה.

השתמשתי במצלמי האופטוקולר של 4N35 כדי להתממשק בבטחה עם הארדואינו ולקרוא את מצבי ה- LED. הרעיון המקורי היה להשתמש ב -5 מהם ולעשות גם את הקריאות וגם את בקרות המתג (לעשות מעגל שקט לחלוטין). לרוע המזל השבב הזה לא יכול היה ליצור התנגדות נמוכה מספיק כדי לחקות לחיצת כפתור ולכן נאלצתי להשתמש בממסרים. השתמשתי במודול ממסר 4 ערוצים גנרי במה שיש לי ביד אבל אם אצטרך לבצע מחדש את הפרויקט הזה הייתי משתמש בממסרי ריד קטנים (SIP-1A05 ממסר מתג ריד עם דיודות flyback פנימיות) שניתן לחבר אותו ישירות לפלט הארדואינו סיכות (עומס של ~ 7mA) כך שניתן לשים הכל על מבנה לוח דו -מפלסי.

ניתן להוריד בקלות את 5 הכבלים הקטנים ליד כבלי החשמל שמתחת ללוח האספקה.

כדי להשתמש בחלל ביעילות רבה יותר במכונה החלטתי לפצל את האלקטרוניקה ל -2 לוחות מרכזיים:

השמאלי הוא לוח הבקרה הראשי, הימני (מה שאני מכנה לוח התקשורת) מחזיק את ה- Xbee ולמרות שהוא לא מופיע בתמונה 2 חיישני המים (לאיתור הצפה) נלחצים מאחוריו. בחלקו העליון השעון בזמן אמת (אופציונלי לזמן פעולה:)) ולוח הממסר בן 4 הערוצים התופס ליד המשאבה בתחתית עטוף בספוג, גם הוא קצת דבק להגנה מפני התהודה.

עבור לוח התקשורת, לא טרחתי להכין PCB פשוט השתמשתי בלוח לחם רגיל כי אין הרבה דברים שקורים שם. יש לו 6 חיבורים ללוח הראשי:

Vcc (5V), GND, Xbee (TX), Xbee (RX), חיישן מים 1 (נתונים), חיישן מים 2 (נתונים)

שלב 5: בקרת זרימת מים ומנגנון המילוי

תכננתי את המכונה הזו מתוך אבטחה בחשבון, מה שמאפשר לתוקפים/תקלות לגרום לנזקי מים חמורים בבית מכיוון שהמכונה תחובר הן לברז והן לאינטרנט 24/7. זה מה שעושה מעגל ההגנה הבא של 555 על גבי הסולנואיד.

שים לב גם שהסולנואיד פועל מתוך אספקת חשמל של 12V מה שעדיין הצלחתי ללחוץ לתחתית מכונת הקפה ליד המשאבה ולוח הממסרים. כדי לא לבזבז חשמל לוח הממסר 4channel מעביר את המתח הראשי 230V ישירות למתאם ואז יפעיל את הסולנואיד. יש כמובן עיכוב כיבוי של כמה שניות במיקרו שניות של מה שאתה צריך לחשב עבור קריסת השדה המגנטי הן על הסולנואיד + על המתאם בעת משיכת התקע.

אני משתמש בשקע 3.5 מ מ סטנדרטי כדי לחבר את בלוק המים החיצוני עם חוט ארוך 3 מ 'וצינור PVC בקוטר קטן שיוצא מהבלוק אל מכונת הקפה.

החלק העליון של מיכל המים נקדח החוצה כדי להכיל את הצינור הזה שהוריד אחר כך לתחתית המיכל. אציין שחשוב מאוד להאכיל את הצינור עד לתחתית בצד מבלי לעבור באמצע ולהפריע לחיישנים האולטראסוניים.

לאחר שהסולנואיד שהופעל על המעגל יכבה אותו אוטומטית לאחר ~ 4 שניות (מה שאמור להיות יותר ממספיק זמן למלא את המיכל עד מלא) והוא נשאר במצב זה עד למחזור ההפעלה הבא. מעגל זה הוא קו ההגנה האחרון מפני תקלה והוא פועל באופן עצמאי לחלוטין ממכונת הקפה. אם הממסר במכונה ייכשל ויישאר סגור המים עלולים להציף את הבית, עם הגנה זו זה לעולם לא יכול לקרות.

אם זה עדיין לא מספיק טוב בשבילך או שאי אפשר לסגור את המים או שאתה לא רוצה להתעסק עם בלוקים של מים בדוק את פרויקט ה- WasserStation שלי שנבנה בדיוק בשביל זה כדי להאריך את מיכל המים הקטן של מכונת הקפה.

שלב 6: איתור הצפות

ישנם 2 חיישני מים נוספים להגנה:

• חיישן 1: בחלק האחורי של המיכל לאיתור הצפה מהמיכל
• חיישן 2: בתחתית מכונת הקפה לאיתור הצפת כוסות

שני החיישנים הללו יפעילו הפרעה שתכבה את המים באופן מיידי, ידליק את נורית השגיאה ויבטל את ביצוע התוכנית כדי למנוע התקפה כמו הכנת מיליון קפה והצפת הבית כך. לאחר הפסקת התוכנית המכונה כבר לא תגיב לשום דבר ויש להפעיל אותה באמצעות רכיבה על חשמל ידנית.

למקרה שתוהים מה היה קורה אם החיישן האולטראסוני היה מוצף (זה קרה פעם:))

זה החזיר את מפלס המים ככה ליומיים, אבל גם אחרי שהתייבש זה לעולם לא יהיה מדויק יותר והייתי צריך להחליף אותו. המכונה תוכננה לפעול ממי הברז הקרים כך שאידוי מחום לא יפגע בחיישן. חיישן זה מדויק רק עד שמפלס המים נמצא 2-3 סנטימטרים ממנו.

הצורה האליפטית של המיכל הקשתה על חישובי מפלס המים ולכן הם נמדדו ונקודדו לתוכנה כך שיתאימו לאחוזים.

שלב 7: בדיקה והרכבה אחרונה

המכונה במצב הסופי שלה, מסתירה כמעט לחלוטין את עקבותיה של כל פריצה ואם שלוש נוריות מחוון המצב ויציאת איתור באגים USB לא היו שם לא היית יכול להגיד שמשהו אחר קורה בפנים בזמן שהוא יכול אפילו להכיל חיבור Wifi. שרת רעידות:)

כשאני משנה מכשירים אני תמיד שומר על שימוש ידני בעדיפות עליונה. לאחר הפריצה המכונה היא שמישה לחלוטין לכל אחד בדיוק כפי שהייתה, למעט שאי אפשר להסיר את מיכל המים בקלות. אלא אם תסיים את החלק האוטומטי של המים בתכנון, ניתן למלא את המכונה רק בשלב זה בעזרת צנרת קטנה + שילוב משפך.

שלב 8: קוד בקרת קפה

מצא את קוד המקור המלא של Arduino המצורף למטה.

הסבר קצר על הקוד:

הלולאה הראשית מכנה את הפונקציה xcomm (), האחראית על עיבוד הפקודה, הכנת הקפה, הפעלה/כיבוי של המכונה.

הקוד למטה מושג רק במקרה של שליטה ידנית. הוא מגדיל מונה סטטיסטי כדי לעקוב אחר כמות הקפה שהוכנה וממלא את מיכל המים באופן אוטומטי.

ניתן לשלוח פקודות באמצעות ה- Xbee או דרך יציאת ה- USB (יש להפעיל את Debug בהתחלה). כאשר נכנסת תקשורת מהנורה הכתומה מהבהבת לשנייה כדי להראות פעילות ברשת. הפקודות הבאות מיושמות:

1, CMSTAT - סטטיסטיקות שאילתה מהמכונה

המכונה מאחסן נתונים סטטיסטיים לגבי כמות הקפה החמה/קרה/הידנית וגם מקבלת את זמן הפעולה מה- RTC שלא עולה על גדותיו לאחר 3x ימים כך שיכול להגיע עד שנים: P

2, CMWSTART - מתחיל להכין קפה ומשקאות חמים עם מים חמים

3, CMCSTART - מתחיל להכין תה קרח ומשקאות קרים עם מים קרים

התהליכים החמים והקורים מתחילים בהתקשרות לפונקציית המתנה () שעושה בדיקות נוספות ואז מפעילה לחיצה על לחצן ההפעלה. לאחר מכן התוכנית מחכה לאור הירוק (כאשר הדוד מתחמם) ואז מחקה לחיצה על כפתור חם/קר. לאחר מכן הוא ממתין 50 שניות (וזה די והותר אפילו לכוס הקפה הגדולה ביותר) ואז מכבה את החשמל. זה אפילו לא יהיה הכרחי מכיוון שהמכונה המעולה הזו תיכבה אוטומטית 5 דקות לאחר הכנת הקפה, אבל למה לבזבז חשמל? אגב צריכת החשמל המתנה של המכונה גם לאחר השינוי היא פחות מ -2 וואט.

מילוי מים ואבטחה

מכונה זו תוכננה מתוך מחשבה על אבטחה, כך שלא יתכן שתוקף שישיג שליטה יציף את כל הבית במים. גם תקלה בחומרה לא תגרום לנזקים חמורים. ליד חיישני החומרה יש הגנות מובנות בקוד למילוי. מונה המפעיל את שגרת ה- ISR אם המכונה לא מתמלאת מחדש תוך x שניות (למשל זה יכול לקרות אם החיישן האולטראסוני יתקלקל ויוותר על 20% לאחר x שניות לאחר תחילת המילוי).

אין אימות, כל אחד יכול להשתמש במכונה בטווח רדיו שמכיר את הפקודות אז שיניתי את מזהה ברירת המחדל של Xbee piconet למשהו אחר, ניתן גם להגיב על ERR_INVALIDCMD והמכונה תתעלם מכל פקודות לא ידועות.

באגים

באג קפה כפול: הדבר המעצבן ביותר בבאג הזה הוא שזה התחיל לקרות כמה חודשים לאחר השימוש במכונה עם אותו קוד. לאחר הוצאת פקודת הקפה היא הכינה את הקפה, כבה והדלק שוב והמשך להכין עוד קפה אחד עם אותו תבנית.

הייתי צריך להתחיל איתור באגים של שכפול הפקודות מרמת האנדרואיד מכיוון שיישמתי שליחה חוזרת לקוד במקרה של אובדן מנות. התברר כי לא אנדרואיד, תוכנת השליטה ב- C או ליבת הלינוקס ב- raspi2 היו אחראים לכך דווקא ל- Xbee.

לאחר הנפקת הד "CMCSTART">/dev/ttyACM0 על צומת הבקרה הוא יוצא פעמיים לקצה השני. הגעתי למסקנה שהספקטרום של 2.4Ghz בביתי התחיל להיראות ממכשירי הרדיו הרבים בטווח זה, מה שגרם ל- Xbee לעורר איזשהו שליחה מחדש בשכבת הרדיו והנתונים נשלחו פעמיים (לא תמיד). לאחר שהפקודה הראשונה נכנסת לפונקציה xcomm () של המכונות התחילה לעבד אותה, אולם פקודה שנייה נכנסה מיד לאחר מכן המתינה במאגר Xbees וכשהלולאה הסתיימה היא התחילה לעבד את הפקודה השנייה. כדי לעקוף את הבעיה הזו הצגתי 3 ספים בקוד כדי שלא יהיה אפשר להכין יותר מקפה אחד תוך 2 דקות. כמו כן, יש הגבלה על ה- CMSTAT אך אם לא להפריע לקוד השליטה C/Android זה פשוט יכחיש את התגובות למשך 2 שניות.

הסף האחרון הוכנס לדלפק הקפה הידני, מכיוון שמרגע שהמכונה הגיעה למצב מוכן (הדוד מתחמם, אור ירוק) היא רשמה את האירוע הירוק מאות פעמים והעלתה את ספירת הקפה.

שלב 9: שיקולי עיצוב ומחשבות אחרונות

לאחר הרבה בעיות בתקשורת Xbee לא הייתי ממליץ על Xbee לפרויקט זה. או השתמש ברדיו הזול הרגיל של 433Mhz עם VirtualWire ו- Bps מופחת ליציבות או הטמע פטל PI Zero עם חיבור Wifi ישירות למכונת הקפה.

כפי שהתאריך מראה שזה פרויקט ישן אז אני מתנצל על כך שחסרים פרטים קטנים כמו החיבור ממעגל הבקרה לרגלי הסיכה המדויקות בלוח האם. פרויקט זה דורש רמה מסוימת של ידע טכני כדי לעשות זאת בעצמך. אם אתה מוצא באגים/בעיות או שאתה רוצה לתרום להדרכה זו, אנא יידע אותי.

תוכנת הבקרה, שיטות השליטה הקולית היא לחלק אחר שיאפשר לכם להכין את הקפה שלכם רק באמצעות פקודה קולית אפילו לפני היציאה מהמיטה.

השלמתי כעת את תיעוד מערכת אחסון המים שלי (WasserStation) ועדכנתי את CoffeeControlCode לגרסה העדכנית ביותר, הכוללת גם את המילוי האוטומטי. אם אתה משתמש באותה מכונה לבנייה המילוי יעבוד ללא רבב (ללא כל שינוי בקוד) מכיוון שמפלסי המים כוילו למיכל המים של הסירקולו.