あれの開発記 16ページ目 作った物 [ColdFire V1]
あのイベントに行かない方向けに、作って提出した物を紹介します。いや本当に大変だった。と言うか依然として大変なのだが。つまり色々作り過ぎている。
※一生懸命作ったので、宜しければ投票お願いします。http://www.freescale.co.jp/event/FTFJ/index.html
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※あ！、私の場合のエコは、エコロジーではなくエコノミーですので。あくまでも現実狙いで。
1番上は提出した全部です。
2番目はユーザーインタフェース用のターミナル。
3番目はターミナルの裏側。
４番目はお風呂ポンプストッパー。ACを扱うのと水が掛かり易い環境で使用するのとで、タッパーウエアに収めた様子。
5番目はその中身
6番目は電流・電圧・電力計測用センサーノード。これもACが剥き出しになっている所があるので、アクリル板でカバーを作成しました。
7番目は電流センサーノードで、端子台にクランプ電流センサーを繋ぎます。これは直接ACに触る事が無いので、簡易的になっています。
8番目はNET SET RADIOです。これがなかなか手を付けられない。最大の問題です。
9番目は水分センサーノードで、プランターや鉢植えに挿して使います。
※一生懸命作ったので、宜しければ投票お願いします。http://www.freescale.co.jp/event/FTFJ/index.html
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※あ！、私の場合のエコは、エコロジーではなくエコノミーですので。あくまでも現実狙いで。
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2番目はユーザーインタフェース用のターミナル。
3番目はターミナルの裏側。
４番目はお風呂ポンプストッパー。ACを扱うのと水が掛かり易い環境で使用するのとで、タッパーウエアに収めた様子。
5番目はその中身
6番目は電流・電圧・電力計測用センサーノード。これもACが剥き出しになっている所があるので、アクリル板でカバーを作成しました。
7番目は電流センサーノードで、端子台にクランプ電流センサーを繋ぎます。これは直接ACに触る事が無いので、簡易的になっています。
8番目はNET SET RADIOです。これがなかなか手を付けられない。最大の問題です。
9番目は水分センサーノードで、プランターや鉢植えに挿して使います。
あれの開発記 15ページ目 [ColdFire V1]
※一生懸命作ったので、宜しければ投票お願いします。http://www.freescale.co.jp/event/FTFJ/index.html
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まだ通信機能やユーザーインタフェースは完成していないのですが、取り敢えず計測機能の実装と、それをSub LCDに表示できるところまでできたので、その様子です。
まず一番上の写真は、家庭の電気のブレーカーのある分電盤で2系統の電力線が一つにまとまる線（ニュートラル）にクランプ型の電流トランスを噛ませ、流れている電流を計測した状態です。夜中の撮影なのでほとんど電気の消費が行われておらず、LCD画面上には「AC I」のところに「0292」と表示されていますが、これは2.92A流れている事を示しています。まだ表示に小数点を付けるプログラムを作っていないのでこの様な表示になっています。
ここには40Aまで計測できるセンサーノードを使用しています。
ちなみにこのセンサーノードのマイコンはColdFireではなくMC9S08QE128マイコン、つまり8bitマイコンで行っています。
この状態で最大消費電力1000Wのオーブントースターに火を入れるとどうなるかをやってみます。
オーブンには電流・電圧・電力を計測できるセンサーノードを使って計測します。2番目の写真はオーブンのスイッチを入れる前の状態で、「AC V」が100.1Vを示し、「AC I」が若干ゴミが入っていますがほぼ0A、当然消費電力は「Pow」の0Wとなっています。
こちらはちょっと計算要素が多いので、ColdFireを使用しています。
オーブンに火を入れてみました。
4番目の写真から「AC V」は95.3V、「AC I」は9.58A、「Pow」は913Wとなっています。オーブンの場合ほぼ抵抗性負荷なのでVAとWが一致する事からP=95.3V×9.58Aで913Wとなる事が判ります。
この時分電盤ではどうなっているでしょうか。5番目の写真を見てみますと、「AC I」は12.42Aと表示されています。
冷蔵庫等他の電気機器の動作状況に影響を受けますが、2.92A＋9.58Aでほぼ一致している事が判ります。
ところでオーブンのスイッチを入れる前と後で電圧が異なっている事に気が付かれましたでしょうか。
前では100.1V有ったものが、後では95.3Vとなっています。これは約10Aも電流が流れた事から電線の電圧降下が発生した為です。この様な大きな消費電力の機器を使っていると、電源コードはほんのりと暖かくなっている事が多々ありますが、まさに電圧降下を発生してしまっています。
つまり、個々の電気機器の本当の消費電力を求めるなら、その電気機器にもっとも近い所で電圧も一緒に計測しないと、電圧降下による誤差が大きく、正確な値を求める事ができません。単に電流に100Vを掛けて電力としては駄目と言う事です。
このセンサーノードでは電圧や電流を以下の方法で計算しています。
まず電圧、電流波形をそれぞれ”ほぼ”同時にADCでサンプリングします。関東の商用周波数は50Hzです。それを16倍オーバーサンプリングし、５波分のデータを電圧、電流それぞれ取り込みます。
この時、まずColdFireやHCS08のADCはオフセットバイナリー出力である事。入力のアンプ回路にDCオフセットエラーが乗っている事から、事前に直流分を計算しておき、取得したデータから直流分を取り除いています。
交流の電圧や電流の実効値の求め方は二乗平均平方根なので、サンプリングポイントのデータを２乗した物をn波分積分し、それをｎ＊16で割った後、その平方根を求める事で出せます。
また電力は電圧と電流の積なので、一致するサンプリングポイント上の電圧データと電流データを掛け算し、それの5波分の積分を、n＊16で割って平均を求めています。
こう言った計算を行う事で、真の電圧、電流の実効値、電力(有効電力)を求める事ができます。
※参考
http://hamayan.blog.so-net.ne.jp/2007-02-10
http://hamayan.blog.so-net.ne.jp/2007-02-13
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まず一番上の写真は、家庭の電気のブレーカーのある分電盤で2系統の電力線が一つにまとまる線（ニュートラル）にクランプ型の電流トランスを噛ませ、流れている電流を計測した状態です。夜中の撮影なのでほとんど電気の消費が行われておらず、LCD画面上には「AC I」のところに「0292」と表示されていますが、これは2.92A流れている事を示しています。まだ表示に小数点を付けるプログラムを作っていないのでこの様な表示になっています。
ここには40Aまで計測できるセンサーノードを使用しています。
ちなみにこのセンサーノードのマイコンはColdFireではなくMC9S08QE128マイコン、つまり8bitマイコンで行っています。
この状態で最大消費電力1000Wのオーブントースターに火を入れるとどうなるかをやってみます。
オーブンには電流・電圧・電力を計測できるセンサーノードを使って計測します。2番目の写真はオーブンのスイッチを入れる前の状態で、「AC V」が100.1Vを示し、「AC I」が若干ゴミが入っていますがほぼ0A、当然消費電力は「Pow」の0Wとなっています。
こちらはちょっと計算要素が多いので、ColdFireを使用しています。
オーブンに火を入れてみました。
4番目の写真から「AC V」は95.3V、「AC I」は9.58A、「Pow」は913Wとなっています。オーブンの場合ほぼ抵抗性負荷なのでVAとWが一致する事からP=95.3V×9.58Aで913Wとなる事が判ります。
この時分電盤ではどうなっているでしょうか。5番目の写真を見てみますと、「AC I」は12.42Aと表示されています。
冷蔵庫等他の電気機器の動作状況に影響を受けますが、2.92A＋9.58Aでほぼ一致している事が判ります。
ところでオーブンのスイッチを入れる前と後で電圧が異なっている事に気が付かれましたでしょうか。
前では100.1V有ったものが、後では95.3Vとなっています。これは約10Aも電流が流れた事から電線の電圧降下が発生した為です。この様な大きな消費電力の機器を使っていると、電源コードはほんのりと暖かくなっている事が多々ありますが、まさに電圧降下を発生してしまっています。
つまり、個々の電気機器の本当の消費電力を求めるなら、その電気機器にもっとも近い所で電圧も一緒に計測しないと、電圧降下による誤差が大きく、正確な値を求める事ができません。単に電流に100Vを掛けて電力としては駄目と言う事です。
このセンサーノードでは電圧や電流を以下の方法で計算しています。
まず電圧、電流波形をそれぞれ”ほぼ”同時にADCでサンプリングします。関東の商用周波数は50Hzです。それを16倍オーバーサンプリングし、５波分のデータを電圧、電流それぞれ取り込みます。
この時、まずColdFireやHCS08のADCはオフセットバイナリー出力である事。入力のアンプ回路にDCオフセットエラーが乗っている事から、事前に直流分を計算しておき、取得したデータから直流分を取り除いています。
交流の電圧や電流の実効値の求め方は二乗平均平方根なので、サンプリングポイントのデータを２乗した物をn波分積分し、それをｎ＊16で割った後、その平方根を求める事で出せます。
また電力は電圧と電流の積なので、一致するサンプリングポイント上の電圧データと電流データを掛け算し、それの5波分の積分を、n＊16で割って平均を求めています。
こう言った計算を行う事で、真の電圧、電流の実効値、電力(有効電力)を求める事ができます。
※参考
http://hamayan.blog.so-net.ne.jp/2007-02-10
http://hamayan.blog.so-net.ne.jp/2007-02-13
あれの開発記 14ページ目 [ColdFire V1]
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モーターなので誘導性負荷だからでしょうか、一周期の中に幾つか電流のピークが見る事ができます。普段誘導性負荷の電流波形を見慣れていないので良く判りませんが、知っている人には特徴的な波形なのでしょうか？。
2番目は揚水してみました。閾値を越えています。
3番目は水が無くなるまで、と言いますかポンプが吸いだせる限界を超えた所の波形です。最大ピークが2番目に比較して、やや小さくなっている事が判ります。まだホース中に水が残っている為に、1番目まで電流が落ちません。閾値を越えているので可変抵抗で調整する必要が有るようです。
4番目位ならコンパレータに引っかかる事は少なくなります。
この辺りは実際に動かしながら初期の調整作業が必要です。
この位の動作なら、HC123の様な単安定マルチバイブレータを使えば出来てしまいます。実際に昔作った同様のポンプストッパーにはマイコンを使用せず、単安定マルチバイブレータで実現していました。
ただ、そこで終っては面白くも何とも無いので、こうしてマイコンだの無線機だのとオーバースペックな物を作っているのですが。
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中身はこんな感じです。左がXBeeを搭載し忘れましたがマイコンボードで、中央がオペアンプを搭載したアナログインタフェースボードです。右端の手前が秋月のソリッドステートリレーキットで、奥には電流変換トランスを置きました。
ご覧の様に電池で動かしますから、省電力が最大のポイントになりますが、ちょっと怪しいなぁ。どれ位持ってくれるかな？。まあ最初の試作だから良いか。
あれの開発記 13ページ目 [ColdFire V1]
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2番目の写真はシンクロの画像を携帯電話のカメラでキャプチャしたもので（TDS3034Bの画像キャプチャは面倒くさいのので）、40A入力時のサイン波形です。ただし3番目の写真は1Aのもので、かなりノイジーな点と歪んでいるのが判ります。クランプ式の電流変換トランスの限界でしょうかね。
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シンクロの画面キャプチャは行っていませんが、波形は歪んでいました。二次側の負荷抵抗を大きくし過ぎたかな？。
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3番目の写真は電圧、電流を同期させて入力した時の画面キャプチャです。4番目はゼロクロス近辺の拡大ですが、回路の特性から若干電流が進んでいるのが判ります（画面見難いですが）。この辺の位相差をどこまでソフトウエアで吸収できるかが最大の問題となりそうです。
あれの開発記 12ページ目 [ColdFire V1]
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そこで取り敢えず提出物の見栄えを良くする為（中身の出来の悪さを隠す為）にカバーを付けて見ました。例によってアクリル板サンドイッチ構造です。簡単な割にそこそこ見れるようになるし、部品の脱落防止にも”やや”効くので、好んでこれをしています。
ただ全部の装置分作る事は出来なかったので、ターミナルとNET SET RADIOのみ行っています。
今日はこれ以外に電流センサーのデータ取りを行いましたが、それはまた後ほど。
しかし今日も朝の4時、東の空が白み始める頃、寝るのだなぁ。
あれの開発記 11ページ目 [ColdFire V1]
既に製作も、ドキュメント作成も何もかも間に合わないのでWEBで公開します。
さてCOIL Systemですが、、、Coldfire Organized Intelligent Living Systemと酷い当て字ですが、要するにColdFireマイコンを中心とした、センサーネットワークと、センサーネットワークにアクセスするユーザーインタフェースデバイス、無線ネットワークだけではカバーできない所を有線ネットワークで繋ぐ為のゲートウエイで構成されるシステムで、このシステムを使って生活環境を見直してみようと言う物です。
センサーノードには左のデバイスを作成してあります。
XBee、温度センサー、明るさセンサー、データ保存用のEEPROM、それにMC9S08QEマイコンを基本構成とするこれをメタタグと呼び、それに専用のセンサーを付加して様々な場所に配置します。
例えば一番上の写真は焦電センサー、つまり人センサーに圧電ブザーを一緒の基板に搭載したものですが、このセンサー、アクチュエーターを使って人の検出を行い、まあよくやってしまう事ですが半田鏝の火を入れたままその場を離れてしまった時、一定の時間人を検出できなければ、ブザーを鳴らすと共にユーザーインタフェースデバイス、これを電脳メガネ、、、ではなくターミナルと呼びますが、そちらにも警報を送るとか言った使い方をします。勿論半田鏝の電源を落すのはもっと良いでしょう。電源のON/OFFは、秋月で販売されているトライアックを使ったAC電源制御用のキットを使えば容易でしょう。
上から4番目の写真は、メタタグに接続した、近接センサーを応用した水分検出センサーで、写真では全体像を写す為に横にしていますが、実際には縦にして、植木鉢等に挿して使います。
何をしたいのかと言えば、最近では夏場の暑さを少しでも凌ぐ為にキュウリやヘチマ等の蔦性の植物をベランダ等に置いたりしますが、どうもこう言った生き物を育てる事にマメさが無く、しばしば水やりを忘れて枯らしてしまいます。お陰で夏真っ盛りに枯れているのでなんの役にも立ちません。
もし植木鉢やプランターの水分量が簡単にチェックできたら、もしやばい状態になったら警報を発する事ができたら、、、。
と言う訳で作ってみました。
上から6番目の写真に写っている基板とそれに接続されている物は、アナログ入力用のアンプ基板とAC電流トランス、可変抵抗器です。
これは何をするかと言えば、お風呂のお残り湯を洗濯機に移す電動ポンプの制御です。だからこの基板以外にAC電源のON/OFF回路が必要となります。
この電動ポンプ、そこそこ便利なのですが、幾つか問題が有ります。つまり、
１．自動的に停止しない。
２．水が無い状態で空回しするとポンプ自体が痛んでしまう。
です。
実際に使ってみると、水が満水になるまで待っていられないので必ずその場を離れてしまう。
気が付いた時は既に洗濯機いっぱいに水が張られ、ジャバジャバ溢れている。この為2回分位の水が有っても1回で終ってしまう。
またはお風呂の水が無くなりポンプが空回りしている。
洗濯機に水が充分張られたかどうかを検出する方法は、、、あまり上手い方法は無いですね。洗濯物が無ければ直接水位を計測する手段は有るでしょうけれど、洗濯物がある状態では洗濯物がセンサーの邪魔をしてしまうので無理と。結局一番実用的なのは時間でポンプを停止するしか無い様です。ポンプの説明書にも書いてありましたが、大体７分で満水になります。
水が満水になる前にお風呂の水が無くなってしまう事の検出は、電動ポンプに流れる電流を測定する事で検出できます。つまり揚水している状態なので、水が有ればその分の仕事をしている事となり、電流が大きめに流れますが、空回りになると水が無い分、電流が小さくなります。
そこでアナログコンパレータを使って可変抵抗の値と比較させ、マイコンで判断させます。※A/Dを使わないのは、A/Dでやると常時マイコンをONにして置く必要が有り、省電力を期待できないからです。
※センサー付きのバスポンプも有ります。新規に購入するならそっちの方が良いと思う。
さて、ここからがもっと直接的なグリーンなんとかに入るのですが、しかしこの装置でできるのは、省エネ、省マネーはできるかもしれませんが、炭酸ガスの排出削減に関しては微妙、、、というより全然影響しないでしょう。
と言いますのも、普段使っている電気がどの様に出来ているかを考えた時、まあほとんどの電気は電力会社が供給してくれる訳ですが、つまり炭酸ガス排出量に最も影響を与えているのは電力会社の電力供給方針だからです。
まあ炭酸ガスの排出が今の温暖化に影響しているかどうかなんて、実に怪しい話なのですよね。そもそも化石燃料の枯渇の問題と温暖化の問題は別問題にすべきなのに、またヨーロッパの連中がそれを一色多にして霊感商法の様に恐怖を煽っている。あいつらと来たら、何時まで経っても中世の頃から進歩しない。USO9000とか14000とか、Rohsとかもそう。※炭酸ガス排出権取引なんて、、、アホくさ。
夏場のこの時期、そして昼間が一年の中で最大の電力需要が発生していますが、電力会社は当然需要に対して供給が下回り一部地域にでも停電が起きる事が無いように、消費電力予測を行い、常に供給が上回るようにしている訳ですね。そのお陰で停電の心配無く安心して電気を使える訳ですが、CMでも流れているように現在フルパワーで供給している状態です。しかも柏崎刈谷の原発が停止している為に、炭酸ガスの排出量が最も多いと言われる石炭火力発電所がフル稼働です。アラアラアラ。
つまり一般家庭がいくら節電したところで発電所の稼働率に影響を与える事は無いので、イコール、炭酸ガス排出量は変わらないと言う事になります。個人として単純に排出量を減らしたいなら、自家用車の利用を控える方が遥かに有効でしょう。
しかし、電気料金に関しては基本料金以外は使用した電力分だけ払うシステムなので、省マネーは実現可能です。
そこで上から7枚目の写真ですが、この基板には電圧変換トランスと電流変換トランスが接続されており、個々の電気機器で消費する電力量を調べる事ができます。
電気機器には必ず定格電力が記載してありますが、それは定常時の数値であり、立ち上がり電力とか力率までは書いていないので、そう言ったものを実際に調べるのに利用できます。
また家全体の消費電力を調べたいなら、8枚目の写真の様に分電盤の所に電流センサーを取り付けて調べる事が出来ます。
柱上トランスから一般家庭に電力線が入る時は分電盤の所で単相2系統に別れます。L1とN間、L2とN間で、Nには2系統の両方の電流が重畳されるので、このNにクランプタイプの電流変換トランスを取り付けています。
さて、手元に電力会社からの明細をお持ちでしたら是非ご覧下さい。まず契約電流ですが幾つでしょうか？。30A？、40A？、契約する時、こう思ったのではないでしょうか？。
「焼肉を焼いている時にブレーカーが飛んだら嫌だなぁ」とか。
それでついつい大き目の電流契約をしてしまう。しかし契約電流が大きいと基本料金も高くなるのです。あれはずるいですよね。使う前にどれ位使うかなんて予測は困難なのに。
明細に書かれている使用電力量から電流の平均を求めると、契約電流に比較してほとんど電流が流れていない事に気付きます。ちなみに我が家の7月分の使用量は247kWhでしたので、247K÷31日÷24時間÷100Vで約3.3Aでした。40A契約なので10分の1にも達していません。
余裕で契約電流を落せそうですが、肝心な事はピークをどう管理してなるべく電流をならすか！です。
個々の電気機器の消費電流が判っているなら、あとどれ位契約電流に余裕が有るか判っているなら、契約電流を越えないように上手に電気機器を使う事は可能に思えます。ホットプレートで焼肉焼いている時に電子レンジを使わなければ良いのです。もし電子レンジを使う必要に迫られたら、ホットプレートのコンセントを一時的に抜いて、ちょっとの間だけ余熱で焼肉を楽しみましょう。
もう一つ電力料金では、1段料金、2段料金、3段料金と言う項目が有ります。これは使用した電力量に応じて段々高い料金を支払う事になる契約です。これに関してはもう、電気の無駄遣いを止めるしか方法は無さそうです。
つまり、電気は上手に使いましょうと言う事ですね。
※契約アンペアの切り換えは、工事も含めて基本的に無料です。
さて、センサー側の解説は済みましたので、今度は電脳メガネではなくターミナル側の解説です。
ご覧の様にColdFire V1マイコン（実際にはLCDに隠れて見えない）の周囲に色々なデバイスを搭載してみました。ターミナルとして使用する時は全部で3枚の基板で構成されます。
ベースとなるColdFire V1マイコンを搭載した基板には、単3電池用の電池フォルダー、またはDCジャックとDC/DCコンバーター回路が有り、基板全体に供給する3.3Vをここで生成しています。
基板下部にはGPIOを引き出したデジタルI/O用のコネクタと、アナログ端子を引き出したアナログ入力用のコネクタを用意し、基板上では提供されていない機能をここに接続する事で拡張する事ができます。
例えば3枚目、4枚目の写真はMP3デコーダーICを搭載した基板で、このベースボード＋この拡張基板でMP3プレーヤーとかも作ることが可能です。
5枚目、6枚目はEthernetコントローラICを搭載した基板を拡張しています。しかしRAMが8Kbyteしか無いので、プロトコルスタックの作成にはちょっと難易度が高いと思いますが。
話をベースボード側に戻しまして、右端にはXBeeを搭載し、センサーとの接続を行います。
真中にはグラフィックタイプのSUB LCDを搭載し、ベースボード単体で動作させる時のメッセージの表示に使う事が出来ます。
右上には一応SDカードソケットを用意し、ColdFire V1マイコンとはSPIで接続されています。
細かい所では拡張コネクタの上に圧電ブザーを用意してあります。
基板の裏側には32MbitのEEPROMと、ユーザーインタフェース用の基板と接続する為のコネクタが搭載されています。
ユーザーインタフェース基板側は、まず左上にはGPSレシーバーを搭載できるようにしました。今回のCOIL SystemではGPSを使用する事は無いのですが、とりあえず。
中央にはちょっと大き目のグラフィックLCDを搭載しています。モノクロですが16階調のグレースケールで表示できますので、より表現力のあるグラフ等も表示できます。
基板の下半分には別基板で構成されたタッチパッド部があり、10キーを構成しています。
この基板の裏側には32pinタイプのMC9S08QEマイコンが搭載されており、タッチパッド部の指の接触を検出し、I2Cでベースボード側のColdFire V1マイコンに通信しています。
だからより消費電力の大きいColdFire V1マイコン側をスタンバイにして置き、タッチパッドに入力があった事を検出したMC9S08QEマイコンが割込みを使ってColdFire V1を起こすと言った事も可能です。
最後にゲートウエイです。このゲートウエイは2枚の基板で構成され、上側にはInterface誌の付録基板を搭載しています。この付録基板にはColdFire V2マイコンが搭載されていますね。
付録基板のベース基板にはXBeeを搭載し、XBeeの無線ネットワークとEthernetの有線ネットワークの橋渡しを行います。
また、温度センサーと明るさセンサーも搭載しているので、このゲートウエイが設置された場所の温度と明るさを別の場所から知る事ができます。
Interfaceの付録基板に隠れて見えませんが、下側にはMP3デコーダーICを搭載しており、ネットワークラジオとしての利用も可能です。
如何でしょうか。折角基板を起こすなら、皆が使ってみたいと思えるような基板にしてみました。
今回は紹介のみですが、製作ドキュメント等はあっちの許可が出たら、順次公開したいと思います。
興味のある方はご連絡ください。
※関連リンク
http://www.nakasa.com/pi/pump/list_pump.htm
さてCOIL Systemですが、、、Coldfire Organized Intelligent Living Systemと酷い当て字ですが、要するにColdFireマイコンを中心とした、センサーネットワークと、センサーネットワークにアクセスするユーザーインタフェースデバイス、無線ネットワークだけではカバーできない所を有線ネットワークで繋ぐ為のゲートウエイで構成されるシステムで、このシステムを使って生活環境を見直してみようと言う物です。
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XBee、温度センサー、明るさセンサー、データ保存用のEEPROM、それにMC9S08QEマイコンを基本構成とするこれをメタタグと呼び、それに専用のセンサーを付加して様々な場所に配置します。
例えば一番上の写真は焦電センサー、つまり人センサーに圧電ブザーを一緒の基板に搭載したものですが、このセンサー、アクチュエーターを使って人の検出を行い、まあよくやってしまう事ですが半田鏝の火を入れたままその場を離れてしまった時、一定の時間人を検出できなければ、ブザーを鳴らすと共にユーザーインタフェースデバイス、これを電脳メガネ、、、ではなくターミナルと呼びますが、そちらにも警報を送るとか言った使い方をします。勿論半田鏝の電源を落すのはもっと良いでしょう。電源のON/OFFは、秋月で販売されているトライアックを使ったAC電源制御用のキットを使えば容易でしょう。
上から4番目の写真は、メタタグに接続した、近接センサーを応用した水分検出センサーで、写真では全体像を写す為に横にしていますが、実際には縦にして、植木鉢等に挿して使います。
何をしたいのかと言えば、最近では夏場の暑さを少しでも凌ぐ為にキュウリやヘチマ等の蔦性の植物をベランダ等に置いたりしますが、どうもこう言った生き物を育てる事にマメさが無く、しばしば水やりを忘れて枯らしてしまいます。お陰で夏真っ盛りに枯れているのでなんの役にも立ちません。
もし植木鉢やプランターの水分量が簡単にチェックできたら、もしやばい状態になったら警報を発する事ができたら、、、。
と言う訳で作ってみました。
上から6番目の写真に写っている基板とそれに接続されている物は、アナログ入力用のアンプ基板とAC電流トランス、可変抵抗器です。
これは何をするかと言えば、お風呂のお残り湯を洗濯機に移す電動ポンプの制御です。だからこの基板以外にAC電源のON/OFF回路が必要となります。
この電動ポンプ、そこそこ便利なのですが、幾つか問題が有ります。つまり、
１．自動的に停止しない。
２．水が無い状態で空回しするとポンプ自体が痛んでしまう。
です。
実際に使ってみると、水が満水になるまで待っていられないので必ずその場を離れてしまう。
気が付いた時は既に洗濯機いっぱいに水が張られ、ジャバジャバ溢れている。この為2回分位の水が有っても1回で終ってしまう。
またはお風呂の水が無くなりポンプが空回りしている。
洗濯機に水が充分張られたかどうかを検出する方法は、、、あまり上手い方法は無いですね。洗濯物が無ければ直接水位を計測する手段は有るでしょうけれど、洗濯物がある状態では洗濯物がセンサーの邪魔をしてしまうので無理と。結局一番実用的なのは時間でポンプを停止するしか無い様です。ポンプの説明書にも書いてありましたが、大体７分で満水になります。
水が満水になる前にお風呂の水が無くなってしまう事の検出は、電動ポンプに流れる電流を測定する事で検出できます。つまり揚水している状態なので、水が有ればその分の仕事をしている事となり、電流が大きめに流れますが、空回りになると水が無い分、電流が小さくなります。
そこでアナログコンパレータを使って可変抵抗の値と比較させ、マイコンで判断させます。※A/Dを使わないのは、A/Dでやると常時マイコンをONにして置く必要が有り、省電力を期待できないからです。
※センサー付きのバスポンプも有ります。新規に購入するならそっちの方が良いと思う。
さて、ここからがもっと直接的なグリーンなんとかに入るのですが、しかしこの装置でできるのは、省エネ、省マネーはできるかもしれませんが、炭酸ガスの排出削減に関しては微妙、、、というより全然影響しないでしょう。
と言いますのも、普段使っている電気がどの様に出来ているかを考えた時、まあほとんどの電気は電力会社が供給してくれる訳ですが、つまり炭酸ガス排出量に最も影響を与えているのは電力会社の電力供給方針だからです。
まあ炭酸ガスの排出が今の温暖化に影響しているかどうかなんて、実に怪しい話なのですよね。そもそも化石燃料の枯渇の問題と温暖化の問題は別問題にすべきなのに、またヨーロッパの連中がそれを一色多にして霊感商法の様に恐怖を煽っている。あいつらと来たら、何時まで経っても中世の頃から進歩しない。USO9000とか14000とか、Rohsとかもそう。※炭酸ガス排出権取引なんて、、、アホくさ。
夏場のこの時期、そして昼間が一年の中で最大の電力需要が発生していますが、電力会社は当然需要に対して供給が下回り一部地域にでも停電が起きる事が無いように、消費電力予測を行い、常に供給が上回るようにしている訳ですね。そのお陰で停電の心配無く安心して電気を使える訳ですが、CMでも流れているように現在フルパワーで供給している状態です。しかも柏崎刈谷の原発が停止している為に、炭酸ガスの排出量が最も多いと言われる石炭火力発電所がフル稼働です。アラアラアラ。
つまり一般家庭がいくら節電したところで発電所の稼働率に影響を与える事は無いので、イコール、炭酸ガス排出量は変わらないと言う事になります。個人として単純に排出量を減らしたいなら、自家用車の利用を控える方が遥かに有効でしょう。
しかし、電気料金に関しては基本料金以外は使用した電力分だけ払うシステムなので、省マネーは実現可能です。
そこで上から7枚目の写真ですが、この基板には電圧変換トランスと電流変換トランスが接続されており、個々の電気機器で消費する電力量を調べる事ができます。
電気機器には必ず定格電力が記載してありますが、それは定常時の数値であり、立ち上がり電力とか力率までは書いていないので、そう言ったものを実際に調べるのに利用できます。
また家全体の消費電力を調べたいなら、8枚目の写真の様に分電盤の所に電流センサーを取り付けて調べる事が出来ます。
柱上トランスから一般家庭に電力線が入る時は分電盤の所で単相2系統に別れます。L1とN間、L2とN間で、Nには2系統の両方の電流が重畳されるので、このNにクランプタイプの電流変換トランスを取り付けています。
さて、手元に電力会社からの明細をお持ちでしたら是非ご覧下さい。まず契約電流ですが幾つでしょうか？。30A？、40A？、契約する時、こう思ったのではないでしょうか？。
「焼肉を焼いている時にブレーカーが飛んだら嫌だなぁ」とか。
それでついつい大き目の電流契約をしてしまう。しかし契約電流が大きいと基本料金も高くなるのです。あれはずるいですよね。使う前にどれ位使うかなんて予測は困難なのに。
明細に書かれている使用電力量から電流の平均を求めると、契約電流に比較してほとんど電流が流れていない事に気付きます。ちなみに我が家の7月分の使用量は247kWhでしたので、247K÷31日÷24時間÷100Vで約3.3Aでした。40A契約なので10分の1にも達していません。
余裕で契約電流を落せそうですが、肝心な事はピークをどう管理してなるべく電流をならすか！です。
個々の電気機器の消費電流が判っているなら、あとどれ位契約電流に余裕が有るか判っているなら、契約電流を越えないように上手に電気機器を使う事は可能に思えます。ホットプレートで焼肉焼いている時に電子レンジを使わなければ良いのです。もし電子レンジを使う必要に迫られたら、ホットプレートのコンセントを一時的に抜いて、ちょっとの間だけ余熱で焼肉を楽しみましょう。
もう一つ電力料金では、1段料金、2段料金、3段料金と言う項目が有ります。これは使用した電力量に応じて段々高い料金を支払う事になる契約です。これに関してはもう、電気の無駄遣いを止めるしか方法は無さそうです。
つまり、電気は上手に使いましょうと言う事ですね。
※契約アンペアの切り換えは、工事も含めて基本的に無料です。
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ご覧の様にColdFire V1マイコン（実際にはLCDに隠れて見えない）の周囲に色々なデバイスを搭載してみました。ターミナルとして使用する時は全部で3枚の基板で構成されます。
ベースとなるColdFire V1マイコンを搭載した基板には、単3電池用の電池フォルダー、またはDCジャックとDC/DCコンバーター回路が有り、基板全体に供給する3.3Vをここで生成しています。
基板下部にはGPIOを引き出したデジタルI/O用のコネクタと、アナログ端子を引き出したアナログ入力用のコネクタを用意し、基板上では提供されていない機能をここに接続する事で拡張する事ができます。
例えば3枚目、4枚目の写真はMP3デコーダーICを搭載した基板で、このベースボード＋この拡張基板でMP3プレーヤーとかも作ることが可能です。
5枚目、6枚目はEthernetコントローラICを搭載した基板を拡張しています。しかしRAMが8Kbyteしか無いので、プロトコルスタックの作成にはちょっと難易度が高いと思いますが。
話をベースボード側に戻しまして、右端にはXBeeを搭載し、センサーとの接続を行います。
真中にはグラフィックタイプのSUB LCDを搭載し、ベースボード単体で動作させる時のメッセージの表示に使う事が出来ます。
右上には一応SDカードソケットを用意し、ColdFire V1マイコンとはSPIで接続されています。
細かい所では拡張コネクタの上に圧電ブザーを用意してあります。
基板の裏側には32MbitのEEPROMと、ユーザーインタフェース用の基板と接続する為のコネクタが搭載されています。
ユーザーインタフェース基板側は、まず左上にはGPSレシーバーを搭載できるようにしました。今回のCOIL SystemではGPSを使用する事は無いのですが、とりあえず。
中央にはちょっと大き目のグラフィックLCDを搭載しています。モノクロですが16階調のグレースケールで表示できますので、より表現力のあるグラフ等も表示できます。
基板の下半分には別基板で構成されたタッチパッド部があり、10キーを構成しています。
この基板の裏側には32pinタイプのMC9S08QEマイコンが搭載されており、タッチパッド部の指の接触を検出し、I2Cでベースボード側のColdFire V1マイコンに通信しています。
だからより消費電力の大きいColdFire V1マイコン側をスタンバイにして置き、タッチパッドに入力があった事を検出したMC9S08QEマイコンが割込みを使ってColdFire V1を起こすと言った事も可能です。
最後にゲートウエイです。このゲートウエイは2枚の基板で構成され、上側にはInterface誌の付録基板を搭載しています。この付録基板にはColdFire V2マイコンが搭載されていますね。
付録基板のベース基板にはXBeeを搭載し、XBeeの無線ネットワークとEthernetの有線ネットワークの橋渡しを行います。
また、温度センサーと明るさセンサーも搭載しているので、このゲートウエイが設置された場所の温度と明るさを別の場所から知る事ができます。
Interfaceの付録基板に隠れて見えませんが、下側にはMP3デコーダーICを搭載しており、ネットワークラジオとしての利用も可能です。
如何でしょうか。折角基板を起こすなら、皆が使ってみたいと思えるような基板にしてみました。
今回は紹介のみですが、製作ドキュメント等はあっちの許可が出たら、順次公開したいと思います。
興味のある方はご連絡ください。
※関連リンク
http://www.nakasa.com/pi/pump/list_pump.htm
あれの開発記 10ページ目 [ColdFire V1]
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ただ触った所の検出はそれ程問題無くできましたが、基板間でI2Cで通信しているところでエライ躓いてしまった。こんなに苦労したI2Cは初めてだなぁ。IICモジュールのマスターでの設定はイマイチ判らん。それに何故か波形を鈍らせないと正常に通信できなかったりして、ここでほぼ一日が潰れてしまった。
ところでタッチパッドの検出には、元々フリスクの近接センサーIC(http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MPR084&nodeId=0112698268)を使う予定でしたが、どうしても上手く動かす事ができず、またPAD数も少なかった為に、QE8の32pinをセンサー代わりに使っています。2枚目の写真がちょっとピントが合っておりませんが、使用したQE8で、ここから12個のPADに接続しています。
あれの開発記 9ページ目 [ColdFire V1]
欲張って色々機能を付けてしまった為に、未だに全てのハードウエアの動作チェックが完了していない。ううう、、、。で、今回はSUB LCDの搭載。パスワールドで販売されているPW10164です。お馴染みですね。
それにADCを使って、電池電圧、VDD、IC内部の温度センサーの出力を表示しています。
※小数点は省いているけど。
しかしいい加減に疲れて来たよ。
※しかしこれ、事前にマルチタスクOSを作って置いて良かったよ。必要なサービスコールは順次作らねばならないし、優先度制御は無いのでリアルタイムと言う訳には行かないけれど、全然ソフトウエアの開発が楽になるからね。
※省電力の機能を使っておらず、何時でもフルパワーで走っているので、テスターで計ったら電池のところで180mA位流れていた。ニッケル水素電池が2000mA/hなので10時間位、まあそんなに行かなくて5～6時間位は持つのだけれど、余力が有れば省電力機能を入れねば。でも難しいんだよね。特にマルチタスクだと。システムタイマーも止まっちゃうし。
あれの開発記 8ページ目 [ColdFire V1]
昨日はほとんどの時間をFONTデータの作成と表示関数の作成で終ってしまった。なかなか進まないねぇ。もう少し？簡単なESCシーケンスの機能位までは作り込みたいけれど、取り敢えず16dot英数字の表示は出来るようになったところ。
固定ピッチfontではなくプロポーショナルfontなので、文章にした時、なかなか美しく見えるでしょう。
あれの開発記 7ページ目 [ColdFire V1]
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うーん、やはり無線は便利だなぁ。これをブロードキャストで定期的に送れば、家中の時計の同期も可能かな。
しかし、電池(ニッケル水素電池)2本をスイッチングレギュレータで昇圧し、その電源を色々なデバイスに供給するとなると、結構難しいのかもしれない。
勿論電力管理の点でもそうだけれど、それぞれのデバイスが異なるタイミングで起動するのか、マイコンが起動してからアクションを起こすまでの時間調整に色々悩んでしまった。と言うかまだまだ詰めが必要みたいだけれど。
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