Набор для точного температурного контроля угляного коптильни: Arduino MKR1000 + WiFi

Компоненты и материалы

• Arduino MKR1000 — 1 шт. (встроенный WiFi, зарядка LiPo)
• 5V Brushless Blower (турбонадув) — 1 шт. (подача воздуха к углям)
• Модуль драйвера MOSFET IRF520N — 1 шт. (управление надувом)
• NTC-термистор 100 кОм — 1 шт. (датчик температуры)
• Плата для прототипирования (breadboard) — 1 шт.
• Провода-перемычки — 1 набор
• LiPo батарея 3.7В ≥ 700 мА·ч — 1 шт. (питание, заряжается через MKR1000)
• Резистор 10 кОм — 1 шт. (делитель напряжения для термистора)

Приложения и сервисы

• Arduino IDE
• Microsoft Visual Studio 2015 — для разработки Universal Windows App (UWP)

О проекте

Предыстория

Настоящие любители BBQ знают: лучший вкус дает уголь. Газовые и электрические коптильни лучше контролируют температуру, но лишают вкуса угля. Уголь капризен: нужно постоянно регулировать заслонки, следить за температурой каждые 30 минут. Хочется просто сидеть на диване с напитком и смотреть спорт, пока коптильня сама поддерживает температуру.

Проект

Создать контроллер, который:

1. Мониторит температуру в коптильне.
2. Регулирует подачу воздуха к углям через надув для поддержания заданной температуры.
3. Позволяет удаленно следить за температурой коптильни и мяса (несколько зондов) через WiFi на любом Windows 10 устройстве.

Основа — Arduino MKR1000 с WiFi и поддержкой зарядки LiPo.

Аппаратная часть

Измерение температуры

NTC-термистор 100 кОм в делителе напряжения на аналоговый вход MKR1000. Выбран термистор от Prusa (3D-принтеры) — дешевый, доступный, часто уже на высокотемпературных силиконовых проводах. Термистор помещается в тонкую нержавеющую трубку (≤6 мм), один конец закатан, провода закреплены термоусадкой. Делитель: 10 кОм от VCC (3.3В MKR) к термистору, другой конец термистора на GND, середина — на аналоговый пин A0. Это дает хороший диапазон 10–150°C с приемлемым разрешением.

Дополнительные аналоговые пины (A1–A6) можно использовать для зондов в мясе.

Управление надувом

Маленький бесколлекторный надув (blower) крепится к вентиляционному отверстию коптильни. Автор использовал нержавеющую миску для собачьей еды над вентилем, надув в отверстии дна миски. Это:

1. Полностью перекрывает вентиль при выключенном надуве.
2. Обеспечивает теплоизоляцию между горячей коптильней и надувом.

Надув управляется N-канальным MOSFET (модуль IRF520N для удобства). Gate → цифровой пин Arduino (пин 0 в коде). Питание надува — от LiPo через MOSFET-модуль.

Сборка (на breadboard)

Все собрано на макетной плате для простоты. Добавлены:

• Подстроечный резистор 10 кОм для тестирования кода (переключение джампером между термистором и делителем).
• Светодиод + 330 Ом на пине 0 — индикация включения надува.

Программное обеспечение

Две части: скетч Arduino (Web-сервер) и Universal Windows App (UWP) для мониторинга.

Скетч Arduino

Основан на примере WiFi-сервера из книги Саймона مونка «Programming Arduino Next Steps».

• Инициализация: настройка WiFi, задание статического IP (192.168.123.90), пин 0 = OUTPUT.
• Loop: проверка клиентов, обслуживание HTTP-запросов. Если в URL есть параметр t=XXX — обновление целевой температуры.
• Измерение температуры термистором: чтение ADC (12 бит на MKR1000), расчет напряжения, тока через фиксированный резистор, сопротивления термистора, затем уравнение Бета: 1/T = 1/T0 + 1/Beta * ln(R/R0) (температуры в Кельвинах), перевод в Фаренгейты.
• Управление: если текущая температура < целевой → вентилятор ВКЛ (пин 0 HIGH), иначе ВЫКЛ.
• Веб-страница: простая HTML-таблица с температурами зондов + форма ввода целевой температуры (кнопка Update).

// sketch_12_04_server_wifi
#include <SPI.h>
#include <WiFi101.h>

char ssid[] = "BeeBar2";
char pass[] = "9254582716";
WiFiServer server(80);
WiFiClient client;

const int numPins = 10;
int pins[] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
int pinState[] = {0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};
char line1[100];
char buffer[100];
IPAddress server_IP(192,168,123,90);
float targetTemperature = 225; // °F
float smokerTemperature = 225;
float v0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial) {}
  for (int i = 0; i < numPins; i++) pinMode(pins[i], OUTPUT);
  analogReadResolution(12); // MKR1000 имеет 12-битный ADC
  if (WiFi.begin(ssid, pass)) {
    WiFi.config(server_IP);
    printWifiStatus();
  } else {
    Serial.println("Could not connect to network");
  }
  server.begin();
}

void loop() {
  client = server.available();
  if (client) {
    if (client.connected()) {
      Serial.print("Request Received: "); Serial.println(line1);
      readHeader();
      if (!pageNameIs("/")) { client.stop(); return; }
      readTargetTempParam();
      client.println("HTTP/1.1 200 OK\nContent-Type: text/html\n");
      sendBody();
      delay(1);
      client.stop();
    }
  }
  // Измерение и управление вентилятором
  int reading = analogRead(0);
  v0 = (float)reading / 1241.0; // 3.3В / 4095 * reading? Уточнить константу
  smokerTemperature = ThermisterTemp(v0, 100000, 10000, 3950, 25);
  digitalWrite(0, smokerTemperature < targetTemperature);
}

void sendBody() {
  client.println("");
  sendAnalogReadings();
  client.println("
");
  client.print("\n
Target Temperature:
 
");
  client.println("\n
\n");
}

void sendAnalogReadings() {
  client.println("
Temperatures
\n");
  Serial.print("Pin(0): V="); Serial.print(v0); Serial.print(" Temperature="); Serial.println(smokerTemperature);
  client.print("");
  for (int i = 1; i < 7; i++) {
    int reading = analogRead(i);
    if (reading > 0) {
      float v = (float)reading / 1241.0;
      float T = ThermisterTemp(v, 100000, 10000, 3950, 25);
      client.print("");
    }
  }
  client.println("
Smoker 
"); client.print(smokerTemperature); client.println(" F
Probe "); client.print(i); client.print("
"); client.print(T); client.println(" F
");
}

void readHeader() {
  readRequestLine(line1);
  while (readRequestLine(buffer) > 1 && buffer[0] != '\n') {}
}

int readRequestLine(char *line) {
  char ch; int i = 0;
  while (ch != '\n' && i < 100 && client.available()) {
    if (client.available()) { ch = client.read(); line[i] = ch; i++; }
  }
  line[i] = '\0'; return i;
}

boolean pageNameIs(char* name) {
  int i = 4; char ch = line1[i];
  while (ch != ' ' && ch != '\n' && ch != '?') {
    if (name[i-4] != line1[i]) return false;
    i++; ch = line1[i];
  }
  return true;
}

float readTargetTempParam() {
  int len = strlen(line1);
  for (int i = 0; i < len; i++) {
    if (line1[i] == 't' && line1[i+1] == '=') {
      float val = 0;
      for (int j = i+2; j < len; j++) {
        if (isDigit(line1[j])) { val *= 10; val += (int)line1[j] - '0'; }
        else break;
      }
      targetTemperature = val;
      return val;
    }
  }
  return -1;
}

void printWifiStatus() {
  Serial.print("SSID: "); Serial.println(WiFi.SSID());
  IPAddress ip = WiFi.localIP();
  Serial.print("IP Address: "); Serial.println(ip);
  long rssi = WiFi.RSSI();
  Serial.print("signal strength (RSSI):"); Serial.print(rssi); Serial.println(" dBm");
}

float ThermisterTemp(float Vtherm, int R0therm, int Rfixed, int Beta, int T0) {
  // T0 в °C, Beta в K, R0therm в Омах при T0
  double I = (3.3 - Vtherm) / Rfixed; // Ток через фиксированный резистор
  double Rtherm = Vtherm / I;         // Сопротивление термистора
  T0 += 273.15; // В Кельвины
  double T = 1.0 / ( (1.0 / (double)Beta) * log(Rtherm / (double)R0therm) + (1.0 / (double)T0) );
  return (float)((9.0 * (T - 273.15)) / 5.0) + 32.0; // В Фаренгейты
}

Universal Windows App (UWP)

Периодически запрашивает веб-страницу коптильни, парсит температуры, отображает их, позволяет менять целевую температуру. Скриншоты интерфейса в оригинале. Код обоих проектов на GitHub: SmokerController.

Схемы

Fritzing-схема (MKR1000 заменен на Nano, так как в Fritzing не было MKR1000). Файлы: Smoker.fzz, фото сборки на breadboard.