В статье приводится автоматизированная система замены воды (AWES) для пресноводного аквариума. Она облегчает работу аквариумистов. Замена воды в аквариуме является основным мероприятием по обслуживанию и проводится на регулярной основе. Слив и наполнение емкости требует больших усилий и времени, поэтому автоматизация является подспорьем этому. Система состоит из узла слива воды, узла наполнения и узла безопасности. Кроме того, для управления процессом она включает удаленное приложение на Android.

1. Введение

Аквариумистика является популярным увлечением, которое пополняется энтузиастами и развивается. На сегодня, это не только увлечение, но также профессиональная сфера по выращиванию водных животных и растений. С распространением электронных компонентов на вооружении появились температурный контроль, мониторинг качества воды, видеосъемка. Профессионалы проводят мониторинг в режиме онлайн.

Содержание рыбок требует условий, максимально приближенных к их естественной среде обитания. Это касается размеров аквариума, освещения, кормления и качества воды. Немногие исследования посвящены рассмотрению водных подмен.

Качество воды в аквариуме постепенно ухудшается. Это обусловлено выделением продуктов метаболизма рыбами, креветками, улитками и другими живыми существами. Кроме того, животные поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Растения также влияют на качество воды. Они абсорбируют опасные компоненты, выделяемые водными организмами и остатками корма, переводят их кислород и рост биомассы. Хорошо управляемый и биологически стабилизированный аквариум, в теории, самодостаточный. Однако, вследствие относительно малых размеров аквариума и человеческих ошибок, требуются регулярные водные подмены.

Аквариум замкнутая система, в которой вода очень хороший растворитель и абсорбирует все химические вещества, полезные и вредные. Но способность абсорбции снижается с насыщением раствора. Рыбки и другие животные, включая креветок, восприимчивы к следовым концентрациям опасных веществ, например, аммиаку. Поэтому, важно регулярно проводить водные подмены. Свежая вода должна иметь состав близкий аквариумной воде и не содержать вредных веществ.

Замена воды вызывает множество проблем. Процесс начинается с подготовки воды, ее хранения и, наконец, самой замене. Трудности осложняются большими размерами аквариума. Обычно объем свежей вносимой воды составляет 20-40% от объема емкости. Кроме того, требуется время и трудозатраты на слив грязной воды. Эта грязная работа. Иногда владелец аквариума забывает или не имеет времени на обновление воды, что приводит к ухудшению среды обитания и здоровья гидробионтов. Водные подмены необходимы на систематической основе.

Существует множество систем мониторинга водной среды, профессионального и любительского уровня, но недостает систем обновления воды. Основное количество работ касается контроля водного потока и рециркуляции.

В данной статье приведена система автоматизированной замены воды в пресноводном аквариуме. Основной целью работы является облегчение работы аквариумиста. Авторы предлагают практическое и легко внедряемое решение для домашнего использования, когда имеется доступ к горячей и холодной воде. Оборудование регулирует поступление свежей горячей и холодной воды в отстойник. С помощью шаговых двигателей со специальными колпачками происходит контроль клапанов, наполнения и температуры воды.

2. Материалы и методы

2.1. Спецификация AWES

Автоматизированная система замены воды состоит из четырех связанных узлов. Эти узлы включают узел сброса воды, наполнения воды, узел контроля данных и узел безопасности. На рисунке 1 представлена диаграмма AWES, а на рисунке 2 – упрощенная схема.

Эти узлы выполняют специфические функции в общем процессе водоообмена. Они дополняют друг друга, поэтому отдельные элементы встречаются в нескольких узлах одновременно.

Узел сброса воды состоит из аквариумной помпы, реле S1, поплавковых датчиков уровня воды (C1, C2, C2A), аварийного расходомера P2. Его функция заключается в откачке воды из аквариума и проверке корректности этого процесса.

Узел наполнения воды состоит из шаровых клапанов, соединенных с шаговыми моторами (M1, M2), контроллерами шаговых моторов (ST1, ST2), соленоидов клапанов (EZ1, EZ2), датчиков температуры (T1, T2), расходомера P1, поплавковых датчиков уровня воды (C1, C2, C1A), и флейты «разбрызгивателя» (последний элемент системы, ответственный за равномерное поступление воды в аквариум).

Узел безопасности защищает систему от неконтролируемых включений. Он состоит из аварийных датчиков C1A и C2A и аварийного расходомера P2. Датчик C1A защищает систему поступления воды. Он дублирует высокое состояние первичных датчиков (C1 и C2). С другой стороны, датчик C2A и расходомер P2 защищает систему сброса воды. В дополнение к контролю количества отводимой воды с помощью расходомера P2, используется поплавковый аварийный датчик C2A. Подобно C2A, его функция дублировать сигналы от первичных датчиков, но в данном случае, логический низкий уровень.

Последним компонентом AWES является система контроля данных. Она состоит из микроконтроллера и отдельного мобильного приложения. Микроконтроллер, как «мозг» всей системы, отвечает за получение данных от датчиков, обработку сигналов, приводные механизмы и оповещение пользователя. Мобильное приложение создано для упрощения внесения данных пользователем. Эти данные поступают на микроконтроллер  через Bluetooth модуль.

2.2. Работа AWES

Для контроля системы разработано мобильное приложение на Android с возможностью редактирования  и изменения операционной системы. Пример его работы приведен на Рисунке 3. Это упрощенный алгоритм работы AWES.

На первом этапе важно обеспечить надежное соединение мобильного приложения и контроллера. Как только соединение установлено, происходит чтение и передача данных от приложения на микроконтроллер. В противном случае, стартует действенная часть программы, которая управляет работой системы. Автоматическая система замены воды ожидает момента начала процесса, который совпадает со временем и данными, введенными пользователем. Водообмен начинается со сливания воды из аквариума. Узел сброса воды отвечает за работу аквариумного насоса и контроль уровня воды. Откачивание воды прекращается, когда первичные датчики уровня достигают логического низкого уровня. Это состояние информирует микроконтроллер о том, что уровень воды в аквариуме достиг минимального установленного значения. Затем, посредством узла наполнения водой, стартует поступление воды в аквариум. Операция включает контроль потока и температуры воды. Настройки клапанов не должны допускать чрезмерного напора потока, а также управлять температурой, согласно пользовательским установкам. Клапанами управляют с помощью шаговых моторов, оборудованных специальными колпачками.

В статье рассмотрены три способа контроля шаговыми моторами:

Метод 1 (динамический) – резкая смена температуры, быстрая смена температуры во времени;

Метод 2 (мягкий, минимальной ISE, минимальной интегральной квадратичной ошибки) – плавное изменение температуры, наилучшее воспроизведение установленного значения. Требование к контроллеру в установке наиболее точного значения;

Метод 3 (смешивание без PID регулятора) – работа шаговых моторов происходит на основе ошибки, отличия измеренной текущей температуры от установленной в настройках температуры.

Методы 1 и 2 используют PID регулятор. Задачей PID регулятора является динамическое изменение заданного значения шаговых моторов. Изменение этого параметра зависит от значений температуры и водного потока. Их считывают в реальном времени с помощью датчиков. Такое решение позволяет получать заданные точки для температуры и водного потока. В методе 1 при расчете установочной точки  PID регулятором принимаются во внимание небольшие ошибки, но укорачивается время определения системы.

В методе 2 для выбора установочных точек PID контроллера используется минимальная интегральная квадратичная ошибка (ISE), лучшее представление заданных значений.

Расчеты настроек различных компонентов PID контроллера представлены в таблице 1. Переменная T является величиной одного периода цикла в микроконтроллере Arduino, а переменная τ обозначает задержку на время первого измерения.

Таблица 1. Расчеты коэффициента усиления PID регулятора

Принцип регулирования	Контроль P	Контроль I	Контроль D
Метод 1	0.35 T/τ	2.4 τ	0.4 τ
Метод 2	0.3 T/τ	1.3 τ	0.5 τ

В таблице 2 указаны значения коэффициентов усиления PID членов, которые адаптированы в ходе экспериментов. Значения выбирали экспериментально или по данным литературы.

Метод 3 не использовал PID регулятор, и шаговыми моторами управляли на основе ошибки, отличия измеренной текущей температуры от установленной в настройках температуры. Величина ошибки не корректируется за счет коэффициентов усиления, которые используются в классическом PID контроллере.

Таблица 2. Коэффициенты усиления PID контроллера

Принцип регулирования	Kp	Ki	Kd
Метод 1	1,40	2,40	0,40
Метод 2	1,20	1,30	0,50

В процессе наполнения, поток воды измеряли расходомером P1. Завершение наполнения запускается возвращением основных датчиков уровня воды к высокому логическому состоянию. Когда эта операция завершена, процесс замены воды прекращается. Все устройства приходят к своим исходным настройкам, в программе запускается функция проверки необходимости новой замены воды. Последним узлом вышеописанной системы является узел безопасности. Защита запрограммирована таким образом, чтобы обезопасить систему от повреждения и живые организмы в аквариуме от неконтролируемого влияния поломок. Узел безопасности тесно связан с двумя предыдущими узлами. Он отвечает за защиту аквариума от чрезмерной откачки воды. Эта защита достигается дополнительным датчиком уровня жидкости, C2A. Датчик дублирует логическое состояние основных датчиков. Второй частью этой защиты является расходомер P2, который проверяет количество вытекающей воды. Если это значение превышает половину объема аквариума, заявленного пользователем, включается защита. Запуск защиты прерывает откачку воды и начинается процесс наполнения. Дополнительное устройство безопасности используется в процессе наполнения. Для этих целей включают дополнительный аварийный датчик C1A. Он задействуется, когда уровень воды в аквариуме превышает высокий уровень, но основные датчики не приобретают высокое логическое состояние. Детальный алгоритм вышеописанных операций показан на Рисунке 4.

Сигнальные состояния, а также реакция системы на эти состояния, приведены в таблице 3.

В таблице 4 представлены комбинации возможных вращений шаговых двигателей, отвечающих за контроль водного потока и температуры воды. Контроль шаговых моторов зависит от измерений потока и температуры жидкости на этапе наполнения аквариума. В таблице ниже вращение по часовой стрелке (CW) происходит при открытых клапанах. Аналогично, вращение против часовой стрелки (CCW) происходит при закрытых клапанах. Единственным условием, при котором один из моторов не вращается, является равенство текущей и целевой температур, и равенство или чуть сниженный водный поток по сравнению с целевым показателем.

Таблица 3. Сигнальные состояния

Тревога	Измеряемый сигнал	Действие
Низкий уровень воды	Аварийный нижний поплавковый датчик (С2А) в закрытом положении или полностью откачена половина объема аквариума	Остановка насоса, световой сигнал, переключение на функцию наполнения
Высокий уровень воды	Верхний аварийный поплавковый датчик (C1A) в открытом положении	Закрытие соленоидных клапанов, остановка шаговых моторов, окончание процесса наполнения

 

Таблица 4. Возможные операции шаговых моторов, влияющих на водный поток и температуру

Температура водного потока	Текущий  поток < Поток в настройках	Текущий  поток > Поток в настройках
Текущая  температура > Температура в настройках	Остановка мотора горячей воды, вращение по часовой мотора холодной воды	Вращение против часовой мотора горячей воды, остановка мотора холодной воды
Текущая  температура < Температура в настройках	Вращение по часовой мотора горячей воды, остановка мотора холодной воды	Остановка мотора горячей воды, вращение против часовой мотора холодной воды
Текущая  температура = Температура в настройках	Остановка мотора горячей воды, остановка мотора холодной воды	Вращение против часовой мотора горячей воды, вращение против часовой мотора холодной воды

3. Экспериментальные установки

На рисунке 5 представлен тестовый стенд, на котором проверяли систему AWES. Он состоит из трех частей. С левой стороны располагаются элементы, контролирующие наполнение аквариума. В центре располагаются элементы, отвечающие за контроль работы всей системы. С правой стороны находится аквариум и датчики, регистрирующие уровень воды и температуру. Прототип AWES (Рисунок 5) собран из компонентов, приведенных в таблице 5.

Таблица 5. Список компонентов прототипа AWES. Дополнительные части AWES, муфты, колпачки, захваты подробно не описаны

№	Название	Описание
1	шаговый мотор NEMA 17 JK42HS48-0406	контроллируют открытие шаровых клапанов
2	шаровые клапаны	работают в ручном и автоматическом режимах
3	соленоидные клапаны	перекрывают поступление воды
4	микроконтроллер Arduino Mega 2560	микроконтроллер с окрытым исходным кодом. Имеет ряд цифровых и аналоговых входов/выходов (I/O). Контроль, прием и обработка данных, сеть
5	модуль  bluetooth HC-06	обеспечивает связь контроллера и мобильного приложения
6	модуль RTC DS1307	хранит информацию о текущей дате и времени. Питается от батареек, поэтому сохраняет данные при отключенном внешнем питании. К модулю подключается DS18B20
7	драйвер шагового мотора A4899	позволяет контроллировать направление вращения и величину шагов моторов, позволяет переходить плате в спящий режим
8	температурный датчик DS18B20	подключается к модулю RTC. Датчик распогается внутри флейты разбрызгивателя.
9	температурный датчик Pt100	регистрирует температуру воды. Проверяет корректность показаний датчика DS18B20
10	аквариумный насос	для нагнетания воды в аквариум. Размер насоса зависит от объема аквариума.
11	реле	для контроля насосом использовали отдельную плату с реле. Включение этого компонента позволяет управлять нагрузкой, требующей более высоких токов, чем имеется на микроконтроллере. Реле предохраняет микроконтроллер и периферийные устройства от короткого замыкания.
12	поплавковый датчик	поплавковые датчики недорогие, отличаются высокой точностью и малой погрешностью, они безопасны для животных
13	расходомер YF-S201	регистрирует водный поток и отправляет данные микроконтроллеру. От полученных данных и шаговых моторов зависит прохождение воды через расходомер
14	Android приложение	мобильное приложение
15	ОС Windows	операционная система на ПК для программирования

Муфта, колпачок шагового мотора и захваты специально созданы для проекта. Эти элементы созданы для правильной работы проекта, повышения надежности. На рисунке 6 представлена фотография физических элементов контроля параметров воды

Шаговые моторы управляли шаровыми клапанами. Для корректного выбора мотора определяли силу, прилагаемую для смещения ручки клапана. Выбрали NEMA 17 JK42HS48- 0406 шаговый мотор, который генерирует крутящий момент 0.33 Нм при 100 rpm. С помощью специальных колпачков и муфт соединяли моторы с клапанами. Колпачок имел 15 выступов, которые входят в отверстия специально созданной муфты, расположенной на клапане. Через каждый выступ передается усилие, примерно равное крутящему моменту мотора. Увеличивая количество выступов, удается создать усилие для вращения муфты. Эта комбинация эффективно передает крутящий момент мотора шаровому клапану и, таким образом, перемещает его. Элементы показаны на рисунке 7.

Последним компонентом AWES является захват, который позволяет шаговому мотору соединяться с шаровым клапаном. Его присутствие необходимо для регулирования высоты установки мотора. Позицию мотора фиксируют винтами. Конструкцию крепят кронштейнами к стене. Захват состоит из посадочного места для шарового клапана, ползунка, крышки и кронштейна для крепления мотора NEMA 17. Ползунок перемещается по направляющим. Захват, колпачок и муфту спроектировали в ПО Autodesk Inventor и распечатали на 3D принтере.

Коммуникацию пользователя с системой обеспечили с помощью мобильного приложения. Его разработали в программе Android Studio для смартфонов, управляемых ОС Android. Мобильное приложение существенно упрощало коммуникацию (Рисунок 8a). Оно отправляло вводимые пользователем данные через Bluetooth. После подключения пользователь мог указать день недели, время замены воды, установки температуры и размер аквариума (Рисунок 8c). Помимо вводимых данных, пользователь мог проверить корректность ранее введенных установок (Рисунок 8b).

4. Результаты и обсуждение

Провели испытания трех методов управления шаговыми моторами. Тесты начинали с ввода параметров в мобильном приложении. Проводили измерения для циклов охлаждения и нагрева (нагрев с 25 до 30°C, охлаждение с 30 до 25°C). Сначала устанавливали начальную температуру 30°C и проверяли нагрев. После достижения 30°C меняли установочную температуру на 25°C и тестировали охлаждение. Каждый цикл запускали 5 раз, при этом фиксировали среднее значение температуры в конкретные промежутки времени. Затем меняли метод управления шаговыми моторами и повторяли эксперименты. Результаты тестирования для метода 3 приведены в таблицах 6 и 7.

По результатам экспериментов наилучшим оказался первый метод контроля моторов. Быстрее достигался нагрев воды, но время охлаждения оказалось хуже, чем для двух других методов контроля. Первый метод контроля моторов показал наилучшую динамику изменения температуры.

Наихудшие результаты показал третий метод контроля, когда нагрев проводился длительное время. Однако для быстрого охлаждения воды он оказался самым эффективным. Третий метод контроля шаговых моторов основан на небольших изменениях температуры в поступающей воде, что приводит к существенному увеличению времени достижения желаемой температуры и большим различиям исходной и установочной температур.

Второй метод контроля оказался промежуточным, между первым и третьим. Он также основан на плавном изменении температуры. С другой стороны, благодаря использованию PID регулятора, настраиваемый показатель определяется динамично и быстрее, по сравнению с третьим методом. Второй метод позволяет быстро и плавно от исходной температуры перейти к установочной температуре. Время прихода к заданному параметру сильно зависит от температуры воды в сети снабжения. Ошибка датчика составляет 0.1°C, что сильно влияет на измерения в узком диапазоне температур. Система непрерывно корректирует значения с датчиков и меняет настройки шаговых моторов. Это влияет на различные движения шаговых моторов и, следовательно, могут наблюдаться максимальные экстремумы. Однако действительную работу системы в различных режимах демонстрируют усредненные результаты проведенных тестов. Сравнение отдельных методов контроля температуры и водного потока приведено в таблице 8.

Графики на рисунках 9 и 10 демонстрируют графическое представление средних значений после пяти измерений для каждого методы контроля. На рисунке 9 изображены графики снижения температуры воды для каждого метода контроля. На рисунке 10 изображены графики повышения температуры воды для каждого метода контроля.

Результаты тестирования показали, что, несмотря на выбранный метод контроля шаговых моторов, время стабилизации температуры аналогично. Узел защиты также повышает безопасность работы и защищает систему от повреждения.

5. Заключение

В статье приведена практическая модель для замены воды, которую можно легко внедрить и, тем самым, повысить эффективность работы аквариумиста. Благодаря использованию AWES, можно легко и эффективно регулировать водный поток и температуру.

Она простая, прочная, состоит из недорогих компонентов, потребляет мало электричества в режиме ожидания. На практике показала точную, воспроизводимую работу. Стабильность системы сильно зависит от температуры воды питающей магистрали.

Существует возможность расширения текущей системы замены воды, подключение контроля освещения, кормления, механическая очистка аквариума, регистрация основных параметров (pH, жесткость, соленость, нитраты и фосфаты). Кроме того, можно подключить сети GSM или Wi-Fi, которые улучшают безопасность и коммуникацию с пользователем. Другие пути развития включают подключение водонепроницаемой камеры для мониторинга животных в режиме реального времени.

——

Stachowiak, D.; Hemmerling, P. Development of an Automatic Water Exchange System for Smart Freshwater Aquarium. Electronics 2022, 11, 2705.