Мониторинг термопары газового водонагревателя: SMS/Email алерт при погасании горелки

Компоненты и материалы

• Raspberry Pi Zero WH — 1 шт.
• Arduino Nano R3 — 1 шт.

Описание проекта

Проблема

Традиционные газовые водонагреватели поддерживают горящую горелку 24/7. Она нагревает термопару, вырабатывающую до 30 мВ. Это напряжение удерживает газовый клапан открытым. Если горелка погасает, напряжение падает — клапан закрывается (безопасность). У автора горелка погасает ~3 раза в год. Замена термопары не помогла. Замена дорогого колонника нежелательна.

Решение

Мониторить напряжение термопары. При падении до нуля — отправлять SMS и Email, чтобы вовремя поджечь горелку. Опасности утечки газа нет — клапан закроется сам.

Архитектура

Raspberry Pi Zero WH отправляет уведомления. Arduino Nano измеряет напряжение (у Pi нет ADC). Arduino читает АЦП (0–1023) с опорным 1.1В (для разрешения 30 мВ ≈ 28 единиц) каждые 30 секунд и передаёт однопроводным протоколом на Pi (GPIO 16). Pi декодирует, если значение низкое 5 раз подряд (2.5 мин) — шлёт алерт. Повторный алерт не чаще 6 часов.

Шаг 1. Подготовка Raspberry Pi

Настройте Pi в сети (см. другой проект автора). Напишите Python-скрипт приёма сигналов и отправки почты/SMS (код ниже).

Шаг 2. Подготовка Arduino

Загрузите скетч: измерение АЦП на A0 каждые 30 сек, опорное 1.1В (analogReference(INTERNAL)), передача числа по пину 9. Дешёвые китайские Nano могут требовать настройки драйверов CH340 на Windows 10.

Шаг 3. Подключение к термопаре

Термопара подключена коаксиальным кабелем к термостату колонка. Оболочка кабеля — «плюс».

1. Перережьте кабель в 5 дюймах от термостата.
2. Снимите внешнюю изоляцию, чтобы добраться до центральной жилы (не повреждайте её изоляцию!).
3. Подключите центральную жилу к входу A0 Arduino и параллельно к термостату. Экранирующую оплетку (минус) — к GND Arduino и к термостату.
4. Автор использовал проводки с крокодилами для соединений.

Шаг 4. Соединение Arduino с Raspberry Pi

Arduino выдаёт 5В, Pi принимает 3.3В. Нужен делитель напряжения на двух резисторах (например, 330 и 220 Ом → ~2.8В). Общие GND обязательны.

Формула: Vout = Vin * R2 / (R1 + R2). Один резистор не подходит — при отсутствии тока на нём 5В.

Шаг 5. Передача данных Arduino

Каждые 30 сек: измерение АЦП → передача двузначного числа (десятки и единицы) серией импульсов на пине 9. Импульс: 20 мс высокий, 20 мс низкий. Между цифрами пауза 50 мс. Код функции sendNumberSignal в скетче.

Шаг 6. Приём на Raspberry Pi

Python-скрипт ждёт восходящий фронт на GPIO 16. Декодирует импульсы: < 70 мс между фронтами — та же цифра, > 70 мс — следующая цифра, таймаут 200 мс — конец числа. Метод waitReceiveNumber возвращает целое (0–1023).

Шаг 7. Отправка уведомлений

Если измерение ≤ 1 (настроено эмпирически) — инкремент счётчика lowVoltageCount. При ≥5 — отправка через smtplib (Gmail). Для SMS используется шлюз оператора (например, 5555555555@vtext.com для Verizon). Gmail требует App Password (настройка безопасности). Время последнего алерта запоминается, следующий не ранее 6 часов.

Шаг 8. Финальная сборка

Подключите Arduino к термопаре и к Pi через делитель. Подайте питание — Arduino начнёт слать данные.

Шаг 9. Автозапуск Python-скрипта

• Создайте shell-скрипт запуска (run_HotWaterNotifier.sh).
• Добавьте в root crontab (sudo crontab -e): @reboot sh /home/pi/hotwater/run_HotWaterNotifier.sh >> /home/pi/hotwater/logs/HotWaterNotifier.log 2>&1
• Для ручного запуска в фоне: запустите скрипт, Ctrl+Z, bg, disown. Проверка: ps aux | grep -i HotWater.

Код

Arduino скетч

/****************************************************************************** HotWaterHeater Measures the voltage coming from the hot water heater's thermocouple. Uses signaling to send this voltage sensor measurement to the Raspberry Pi. ****************************************************************************/
double ReferenceVoltage = 1.1;
int OUTPUT_PIN = 9;
int INTRA_DIGIT_WAIT=20;
int BETWEEN_DIGIT_WAIT=50;

void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  pinMode(OUTPUT_PIN, OUTPUT);
  analogReference(INTERNAL);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int pinInput = analogRead(A0);
  double voltage = (pinInput * ReferenceVoltage) / 1023;
  Serial.print("PinInputA0="); Serial.print(pinInput);
  Serial.print(", voltageA0="); Serial.println(voltage);
  sendNumberSignal(pinInput, OUTPUT_PIN, INTRA_DIGIT_WAIT, BETWEEN_DIGIT_WAIT);
  delay(30000);
}

void sendNumberSignal(int number, int pin, int intraDigitWait, int betweenDigitWait) {
  int tens = number/10;
  int ones = number % 10;
  sendPulse(pin, intraDigitWait);
  for (int i=0; i

Python код (HotWaterNotifier.py)
###############################################################################
# HotWaterNotifier.py
# Monitor the input pin and receive signals from an Arduino.
# Decode the signals into numeric voltage sensor measurements.
# When the received voltage reading is too low, this indicates that the
# pilot light is out. When this occurs for 5 measurements in a row, assume that
# the pilot light really is out. Send emails/texts and record the time.
# Only send an email/text every six hours.
###############################################################################
import smtplib, RPi.GPIO as GPIO, os, time, datetime, string, logging, sys

GPIO_Alert = 16
emailWaitHours = 6
lowSensorReading = 1
maxLowVoltageCount = 5

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(GPIO_Alert, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

lastEmailSentTime = datetime.datetime(2000,1,1,0,0,0,0)

def setup_custom_logger(name):
    formatter = logging.Formatter(fmt='%(asctime)s %(levelname)-8s %(message)s', datefmt='%Y-%m-%d %H:%M:%S')
    handler = logging.FileHandler('HotWaterLog.txt', mode='a')
    handler.setFormatter(formatter)
    screen_handler = logging.StreamHandler(stream=sys.stdout)
    screen_handler.setFormatter(formatter)
    logger = logging.getLogger(name)
    logger.setLevel(logging.DEBUG)
    logger.addHandler(handler)
    logger.addHandler(screen_handler)
    return logger

logger = setup_custom_logger('HotWaterNotifier')

def send_email_alert():
    global lastEmailSentTime
    nowTime = datetime.datetime.now()
    emailWaitDelta = datetime.timedelta(hours=emailWaitHours)
    limitTime = nowTime - emailWaitDelta
    if lastEmailSentTime is None or limitTime > lastEmailSentTime:
        logger.info('Sending email alert...')
        HOST = "smtp.gmail.com"; PORT = 587
        SUBJECT = "Hot Water Heater Alert"
        TO = ["XXXXXXXXXXXXXX@gmail.com", "5555555555@vtext.com"]
        FROM = "XXXXXXXXXXXXXX@gmail.com"
        PWD = "XXXXXXXXXXXXXX"  # App Password
        text = "Low Voltage Measured on the Hot Water Heater"
        BODY = "\r\n".join(["from: %s" % FROM, "to: %s" % ", ".join(TO), "Subject: %s" % SUBJECT, "", text])
        try:
            s = smtplib.SMTP(HOST, PORT)
            s.set_debuglevel(1)
            s.ehlo(); s.starttls()
            s.login(FROM, PWD)
            s.sendmail(FROM, TO, BODY)
            s.quit()
            lastEmailSentTime = nowTime
        except Exception as e:
            logger.exception('Exception caught file sending email. Trying again in 6 hours')
            lastEmailSentTime = nowTime
    else:
        logger.info('Not sending email. Last email sent at: ' + lastEmailSentTime.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S"))

def waitReceiveNumber(GPIO_Alert):
    lastSignalTime = datetime.datetime(2000,1,1,0,0,0,0)
    isTens = True; isFirstIteration = True
    tensValue = 0; onesValue = 0
    singleDigitMilliseconds = datetime.timedelta(milliseconds=70)
    wholeNumberWaitTime = 200
    while True:
        if isFirstIteration:
            receivedEdge = GPIO.wait_for_edge(GPIO_Alert, GPIO.RISING, timeout=-1)
        else:
            receivedEdge = GPIO.wait_for_edge(GPIO_Alert, GPIO.RISING, timeout=wholeNumberWaitTime)
        signalTime = datetime.datetime.now()
        signalInterval = signalTime - lastSignalTime
        lastSignalTime = signalTime
        if (signalInterval < singleDigitMilliseconds) or isFirstIteration:
            isFirstIteration = False
            if isTens: tensValue += 1
            else: onesValue += 1
        elif receivedEdge is not None:
            if isTens:
                isTens = False; onesValue += 1
            else:
                return ((tensValue -1)*10) + (onesValue -1)
        else:
            return ((tensValue -1)*10) + (onesValue -1)

def main():
    logger.info('Starting HotWaterNotifier')
    referenceVoltage = 1.1
    lowVoltageCount = 0
    try:
        while True:
            sensorReading = waitReceiveNumber(GPIO_Alert)
            voltage = (sensorReading * referenceVoltage) / 1023
            logger.info('sensorReading: ' + str(sensorReading) + ', voltage: ' + str(voltage))
            if sensorReading <= lowSensorReading:
                lowVoltageCount += 1
                if lowVoltageCount >= maxLowVoltageCount:
                    logger.info('Low voltage alert')
                    send_email_alert()
                    lowVoltageCount = 0
            else:
                lowVoltageCount = 0
    except KeyboardInterrupt:
        logger.info('Keyboard interrupt received')
    finally:
        GPIO.cleanup()

if __name__ == "__main__":
    main()

Shell-скрипт запуска
#!/bin/bash
# run_HotWaterNotifier.sh
cd /home/pi/hotwater
sudo python HotWaterNotifier.py
            


            

               Автоматическая система полива растений на Arduino — уходи в отпуск спокойно        
                Набор «Инопланетный слот-машин» на ATmega328P — DIY игровой автомат с NeoPixel и I2C дисплеем