В предыдущей статье мы рассказали про POK002 — датчик влажности почвы, с которого, собственно, и началась наша линейка. Он закрыл вопрос «когда поливать». Очень быстро выяснилось, что есть и второй вопрос, не менее важный: «как поливать». Потому что просто открыть кран в нужный момент — это ещё не полив. Точнее, это полив, который вполне может растениям навредить.
Полив «по-хорошему» — это не только нужный момент, но и подходящие условия: правильное время суток, и, что для нас оказалось ключевым, вода правильной температуры. Холодная вода прямо из магистрали — это стресс для корней: разница в десять-пятнадцать градусов между почвой и поливом ощутимо тормозит растения, а в теплице ещё и провоцирует целый букет проблем. Холодная струя резко поднимает влажность воздуха в замкнутом объёме, на листьях оседает конденсат — и привет фитофтора и грибковые. Решение известно и банально: промежуточная ёмкость. Бочка, еврокуб, что угодно — главное, чтобы вода успевала прогреться до температуры окружающего воздуха, прежде чем попасть в грядку.
И вот тут выяснилось, что мы вообще ничего не знаем про эту бочку. Сколько в ней воды — на глаз, через крышку. Какая температура — никак. А оба параметра для качественного полива нужны. Температура — понятно зачем: если вода ещё не прогрелась после ночного дозалива, поливать рано. С уровнем чуть тоньше. Сразу оговоримся: датчик у нас не градуированная линейка, он простой и дискретный — фиксирует одно состояние, есть вода на его высоте или нет. И этого, как ни странно, хватает: на практике мы ставим на бочку два таких датчика, верхний и нижний. Верхний срабатывает — пора прекращать долив, бочка полная. Нижний пропал — бочка почти пуста, дальше поливать нельзя: насос работать на сухую не должен, а самотёчная система всё равно ничего уже не выдаст. Между этими двумя отметками — рабочий объём, и для управления поливом этого достаточно.
Так появилась задача на POK003.
«Унитазик» и квест в Китай
Велосипед мы изобретать не любим, поэтому сразу пошли смотреть, что есть готового. И нашли — распространённый поплавковый датчик уровня, который мы между собой сразу прозвали «унитазиком». Принцип действия буквально такой же, как у запорного клапана сливного бачка, только сильно уменьшенный: внутри корпуса залит смолой геркон, в подвижной поплавковой части сидит магнит. Поплавок поднимается с водой — магнит замыкает геркон. Простая, надёжная, копеечная вещь.
Чего «унитазику» не хватало — датчика температуры. И отдельно ставить рядом второй сенсор не хотелось: лишний кабель, лишняя дырка в бочке, лишняя точка отказа.
Поэтому мы пошли по нетривиальному для нас тогда пути — связались с производителем «унитазиков» и заказали кастомный вариант: тот же датчик, но с дополнительно установленным внутри корпуса NTC-термистором (10 кОм, B-коэффициент 3950 — стандартный, хорошо предсказуемый по характеристике). Наружу вместо двух проводов теперь выходят три, с разъёмом XH2.54 на конце — термистор и геркон соединены в общей точке, экономия одной жилы. Это был наш первый опыт заказа кастомизированных изделий у китайских производителей, и сейчас, оглядываясь, можно сказать — прошли успешно. Дальше таких квестов было много, но этот был первым.
Конструктив: как протащить датчик через собственное отверстие
Принцип установки «унитазика» классический и отработанный десятилетиями: в стенке бочки сверлится отверстие, датчик заводится изнутри, снаружи на резьбовую часть наворачивается фиксирующая гайка. То есть в момент установки через отверстие должно физически пройти всё тело датчика и его выходящие провода.
И вот тут возникла проблема. Электронике-то надо где-то жить. Если совместить датчик и плату в один моноблочный корпус — этот корпус уже не пройдёт через монтажное отверстие; делать отверстие под него — значит лишать конструкцию её главного достоинства, простоты установки. Если плату вынести совсем отдельно — получаем два корпуса, провод между ними, лишние точки отказа на улице.
Решение оказалось в промежуточном варианте: датчик с коротким хвостиком провода и разъёмом на конце. При монтаже сначала через отверстие протягивается тонкий хвостик с разъёмом — он проходит свободно, — потом сам датчик заводится изнутри и фиксируется гайкой. И только после этого к разъёму подключается плата в своём корпусе, который уже снаружи, на стенке бочки. Получается аккуратная и быстрая установка, причём электронику в любой момент можно отстыковать — для замены батареек, для зимовки, для диагностики, — не трогая сам датчик в бочке.
Ещё один полезный нюанс, который мы выяснили на практике. «Унитазик» можно поставить в двух ориентациях — поплавок «смотрит» вверх или вниз, разворот на 180°. Зачем? Это даёт небольшую, но иногда очень нужную подстройку рабочей точки. Например, нижний датчик в бочке логично ставить так, чтобы он фиксировал именно «совсем пусто», а не «осталось на пару поливов» — и в перевёрнутой ориентации поплавок оказывается ближе ко дну, что и нужно. Тонкость в том, что при развороте состояние контакта тоже инвертируется: то, что было «замкнуто = есть вода», становится «замкнуто = нет воды». Это легко учесть в настройках, главное — помнить. И второй важный момент: сам корпус электроники при любом положении датчика должен оставаться в правильной ориентации — крышкой вниз, чтобы дождь не лился внутрь через стык. Конструктив сделан так, что собрать «крышкой вниз» получается в обоих вариантах разворота датчика — так что компромисса тут нет.
Так и сложился текущий конструктив POK003.
FDM-печать как функциональное решение
Тут стоит остановиться отдельно, потому что это, пожалуй, самая контринтуитивная часть всей истории.
Корпус POK003 — как и большинства наших уличных устройств — изготавливается методом FDM-печати. Нас за это иногда упрекают: можно же сделать литьё в силикон или в пресс-форму, было бы эстетичнее. Про эстетику можно было бы поспорить отдельно — посмотрите, как выглядит любой «красивый» датчик через два месяца жизни на поливной бочке под солнцем и дождём. Но дело даже не в этом. Дело в том, что FDM в нашем случае — это не компромисс по бюджету, это техническое решение.
У FDM-печати есть особенность, которая для эстетического корпуса считается недостатком, а для уличного — оказывается ровно тем, что нужно: между слоями пластика остаются микроскопические зазоры. Корпус получается воздухопроницаемым. Он, грубо говоря, дышит.
Зачем уличному датчику дышать? Затем, что внутри у любого закрытого корпуса на улице неизбежно копится влага. И «улица» здесь — это не комнатные условия: бочка чаще всего стоит на открытом солнце (так быстрее греется вода), а вместе с ней греется и закреплённый на ней датчик. Реальный суточный размах температуры на корпусе летом — от +15 ночью до +60 днём, то есть около сорока пяти градусов. При таких перепадах закрытый объём работает как компрессор и насос одновременно: днём корпус втягивает влажный воздух, ночью — конденсирует его в воду на холодных поверхностях. Идеально герметичный корпус эту воду уже никуда не выпускает, и она остаётся сидеть на электронике. Дышащий корпус — выпускает: водяной пар свободно выходит через те же микрозазоры, через которые вошёл.
А вода в жидкой фазе? Здесь работает другая физика. У капли есть поверхностное натяжение, и через зазор размером в десятки микрометров она просто не пройдёт — её туда не пустит собственная плёнка. Помогает и материал: PETG, на котором мы печатаем, гидрофобен, вода его не смачивает, и капля не растекается по микрозазору, а скатывается. То есть пар проходит, а вода — нет. Своего рода односторонний клапан, работающий на разнице фаз.
Важная оговорка: это не значит, что POK003 герметичен в IP-смысле. Если его погрузить в воду — внутрь, разумеется, нальётся. Но в реальной уличной эксплуатации воды под давлением не бывает. Бывают дождь, снег, брызги от полива — и ко всему этому такая защита более чем достаточна. За несколько сезонов эксплуатации — подтверждено.
Дальше — форма корпуса. Раз уж мы полагаемся на то, что вода скатывается, а не задерживается, корпус должен ей в этом помогать. Никаких горизонтальных площадок, на которых дождь стоял бы лужицей, никаких чашеобразных углублений сверху. Поверхности либо вертикальные, либо со скатом. Мелкие выступы, которые на фотографии можно принять за декор, на самом деле работают как водоотводящие рёбра — разбивают потоки и направляют их вниз, мимо разъёмов и щелей.
В итоге получается корпус, который внешне может казаться простоватым, а функционально решает все три задачи: пропускает пар, не пропускает каплю, не накапливает воду снаружи. Литой пластик так не умеет.
И всё же мы понимаем, что у дышащего корпуса есть свои пределы. В реальной жизни на улице бывают сценарии, на которые рассчитывать не хочется: например, неделя жары, потом резкий ливень — и влажность воздуха внутри корпуса временно подскакивает до такого уровня, что выровняться через микрозазоры она быстро не успевает. На такой случай у нас есть второй рубеж защиты: платы внутри POK003 покрыты лаком. Это типовая практика для уличной электроники, ничего экзотического — но в связке с дышащим корпусом она работает особенно хорошо. Корпус берёт на себя основную нагрузку и не даёт влаге накапливаться, лак страхует электронику в те короткие моменты, когда корпус не успевает «выдохнуть». Каждый из этих двух механизмов по отдельности работал бы хуже — вместе они дают то, что нам нужно.
Есть ещё одна простая рекомендация, которую мы прямо прописываем в инструкции: размещать датчик с северной стороны бочки. На температуру воды это практически не влияет — вода в бочке за день перемешивается и прогревается равномерно, ей всё равно, с какой стороны висит маленький датчик. А вот самому датчику на северной стороне заметно легче: нет прямого солнца, дневной максимум на корпусе падает с шестидесяти до условных тридцати пяти градусов, суточный размах сокращается, конденсата меньше, и общий ресурс корпуса и электроники получает приятный бонус. Совет копеечный по реализации, но реально продлевает жизнь устройству.
И последнее, что стоит сказать про FDM в контексте этой статьи — про дачные реалии. Дача это не лаборатория: на устройство наступят, зацепят шлангом, уронят с подставки, заденут косой. Корпус однажды треснет — это вопрос времени, а не техники. И вот тут FDM даёт то, чего не даёт ни одно литьё: корпус можно просто перепечатать. Свой, новый, в любом цвете, на любом домашнем принтере или на печати по заказу. Все STL-файлы наших корпусов мы выкладываем в открытый доступ — это не маркетинговый жест, а часть концепции: устройство, которое живёт у пользователя на участке, должно оставаться чинимым. Подробнее про FDM, особенности проектирования под эту технологию и про то, как мы вообще пришли к такому подходу — будет отдельная статья, там нюансов хватит.
Скучная начинка и нескучная польза
Сама схемотехника POK003 совершенно неинтересная — и в этом, наверное, главная победа. Чтение геркона — два состояния, цифровой вход. Чтение термистора — делитель напряжения и АЦП, аппроксимация по табличке Стейнхарта-Харта в прошивке. Радио и батарейная часть — как у остальных наших устройств. Рассказывать здесь буквально нечего.
Зато есть что рассказать про эксплуатацию. POK003 у нас работает уже несколько сезонов, и грамотный полив, в котором он играет существенную роль, стабильно даёт два эффекта: прибавку к урожаю — это ожидаемо, — и заметное снижение случаев заболеваний. Второе на старте удивляло. Когда вода не холодная и в теплице нет лишней сырости в воздухе, фитофтора и грибковые просто не находят себе условий для развития. Это, конечно, не отменяет севооборот и обработки, но снимает одну из главных причин, по которой эти проблемы вообще возникают.
Так что POK003 — это датчик с предельно скучной электроникой и совсем нескучной ролью. И, как и POK002, он был сделан не потому, что нам хотелось своё, а потому что готового, который бы делал именно то, что нам нужно, мы не нашли.