Auto Tank: 透過自建雲端服務來監控魚缸 pH 及溫度

[samuel0318]

前言

我使用兼容Arduino 的 ESP8266 板子，連結 pH 和溫度傳感器，經由 Wifi 連線, 將傳感器數據透過 MQTT 協議發佈到自建私有雲服務。 在雲上，使用Node-RED訂閱MQTT傳感器數據並將其存儲到InfluxDB數據庫。 Grafana用於顯示傳感器數據圖表，並且設定警報條件，若符合條件就會發 Slack 訊息通知。也可以用語音要求 Siri 回報魚缸的最新狀態。

系統架構圖

成果

1.用語音要求 Siri 回報魚缸的最新狀態(謝謝齊大教學文)

2.Slack (手機或是電腦App) 接收到的通知

pH 低於 8.4 (測試用), 發通知

pH 回到 8.4 以上, 通知狀態解除

溫度告警，通知溫度低於 24度（測試用）

3.雲端網頁(Grafana)，可顯示 pH 以及溫度的歷史資料
- 由於 pH 值與燈光有很大的關係，所以在 pH 圖表上，白底表示主缸開燈，黑底表示藻缸開燈
- 在 temperature 圖表上，紅底表示白天(06:00)，黑底表示晚上(18:00), 左側鋸齒狀表示那幾天天氣冷，加溫棒開始運作了。我還需要調整，目標是讓溫度變化低於1度 (或 0.5度）
- 可以加上自己的註解，如pH 圖表上的垂直藍線
- 可以在這裡設定警報條件

準備項目及費用
以下是需要準備的項目

1. NodeMcu 物聯網開發板 ESP8266 wifi模組 NT$205
2. Analog pH Meter Pro Sensor (工業等級 pH 探針) NT$2,457
3. 標準校正液20ml(ph7 + ph10) 迷你瓶 NT$84
4. 2米防水探針型熱電偶溫度感測器 不銹鋼封裝 防水型 DS18b20溫度感測 NT$114
5. 麵包板 NT$57
6. 麵包板連接線 NT$48
7. MicroUSB 以及 USB 插座：拿沒在用的，free

以上總共花費 NT$2,965, 主要是貴在這個 pH electrode 是工業等級比較貴，因為網頁上面寫著 "本pH計非常適合需要長期線上監測的場合”, 我就買了，但 pH electrode是消耗品，下次換便宜的試試。
這次DIY不強調手工藝，不需要焊接，只需插麵包板，也還沒有好看的外殼封裝, 目前還在規劃中

自己動手做, But...
所需要的技能:

1. Arduino 基本操作，會編寫程式碼更好
2. MQTT 的運作原理, publish / subscribe
3. Linux (Ubuntu) 的基本指令
4. Docker, Swarm 的基本操作
5. Node-Red 基本操作
6. InfluxDB SQL 語法

技能可以不會，有熱情就可以(就自己Google, Youtube邊做邊學囉！)

Let’s Go!
Github 開放原始碼, 並且 README 會教如何設定。 為了國際化，我用英文寫文件
https://github.com/samuelchiang/auto_tank

 

[ab333647]

好讚，可以請問如何處理DS18b20 的防水的部分呢?

畢竟DS18b20 雖然防水但並不耐酸鹼

 

[samuel0318]

好讚，可以請問如何處理DS18b20 的防水的部分呢?

畢竟DS18b20 雖然防水但並不耐酸鹼

網路上有賣塑膠包覆的 DS18b20, 不過我覺得價格偏貴, 剛好手邊黏魚缸的矽利康還有，用來包覆金屬部分。國外也看過有人這樣用，
應該沒問題。

 

[samuel0318]

分享一下使用體驗，今天早上看到這張圖

我猜測是昨天晚上快八點左右，下了班回家，在廚房煎牛排，廚房到魚缸所在的客廳，門沒關，窗戶只開一小縫，所以可以想像有大量的CO2溶解到魚缸內，造成 pH 值下降，溫度略升。
當然如果在客廳安裝個 CO2以及室溫Sensor，應該就可以佐證我的想法。
而紅色線表示已經低於 pH 8.3 了, 有發 Slack 通知我，那麼為什麼我早上才知道，那是因為昨天晚上手機被小孩拿去看影片了

 

[sundisk]

不知道你是否有試過測量鈣鎂鈉的 Sensor ，
之前有找過類似鈣離子計 不過太貴了 也不知道有沒有用

 

[samuel0318]

不知道你是否有試過測量鈣鎂鈉的 Sensor ，
之前有找過類似鈣離子計 不過太貴了 也不知道有沒有用

我沒試過，鈣鎂鈉的 Sensor 有連結嗎？
目前市面上的商用機種, 如 KHG, Apex Trident 是自動用滴定法比色計來判斷 KH, Ga, Ma 濃度,
可能是一種成本考量，也可能是商業考量 (可以賣藥水)
如果有價格合理的鈣鎂鈉的 Sensor, 那麼 KHG, Apex Trident 應該就沒有存在的空間

另外，我下個階段會是加上 EC Meter 來測量電導率->鹽度, 作為自動補淡水, 海水的依據。

 

[sundisk]

https://www.vernier.com/products/sensors/ion-selective-electrodes/labquest-ise/ca-bta/
鈣離子計 還有NO3的 不過都買不下手

另外想問一下電導率換算鹽度公式是不是下面這樣子？

電導率和鹽度在0〜40℃之間的換算公式為：

若鹽度值（以NaCl計算）記為yNaCl（單位為PPm），電導率值記為x（單位為μs/ cm），當前水溫為t，則換算公式為：

yNaCl = 1.3888 * x-0.02478 * x * t-6171.9

 

[xdai27]

https://www.vernier.com/products/sensors/ion-selective-electrodes/labquest-ise/ca-bta/
鈣離子計 還有NO3的 不過都買不下手

另外想問一下電導率換算鹽度公式是不是下面這樣子？

電導率和鹽度在0〜40℃之間的換算公式為：

若鹽度值（以NaCl計算）記為yNaCl（單位為PPm），電導率值記為x（單位為μs/ cm），當前水溫為t，則換算公式為：

yNaCl = 1.3888 * x-0.02478 * x * t-6171.9

那個鈣離子probe的精確度是正負10%，在魚缸內不太合用，我記得以前好像有討論過類似的東西，不知道最近有沒有什麼新的產品。

鹽度的部分，我覺得能測到導電度也不錯了，一般魚缸溫度不太會變，導電度穩的話鹽度也飄不到哪裡去。

 

[samuel0318]

https://www.vernier.com/products/sensors/ion-selective-electrodes/labquest-ise/ca-bta/
鈣離子計 還有NO3的 不過都買不下手

另外想問一下電導率換算鹽度公式是不是下面這樣子？

電導率和鹽度在0〜40℃之間的換算公式為：

若鹽度值（以NaCl計算）記為yNaCl（單位為PPm），電導率值記為x（單位為μs/ cm），當前水溫為t，則換算公式為：

yNaCl = 1.3888 * x-0.02478 * x * t-6171.9

這個鈣離子計不能用，因為規格寫著 pH Range: 2 to 8, 而海水缸大多在 pH8.4

這個電導率換算鹽度公式看來合理，相關的參數 (1.3888, 0.02478, 6171.9) 需要根據 Calibration 的結果來決定

 

[samuel0318]

透過電話來通知魚缸溫度變化

最近看了一些魚友魚缸分享，發覺溫度失控是倒缸常見的原因之一，如何在第一時間就通知到人，很重要。上面的例子顯示即時訊息( Slack ) 通知還不夠，所以這邊提出透過打電話的方式來進行通知。

我採用 IFTTT「if this then that」 所提供的免費服務來串接，我的方式是 if this (Webhooks) then that (VoIP Calls)，設定步驟如下：

1. 註冊 IFTTT
2. 點一下大頭照 > 按 Create > 按 +This > Choose a service > 搜尋 Webhooks > 點左邊藍色方塊 > Event Name 填入 “temperature_alarm” > Create trigger > 按 +That > 搜尋 VoIP Calls > 點左邊藍色方塊 > 輸入 Voice message (不支援中文) > Create action > Finish, 下圖是我的設定參考
   
   
   
   
   
   
3. 在 Webhook, 點選 Documentation, {event} 請填入剛剛輸入的 Event Name “temperature_alarm”, 於是就可以利用 https://maker.ifttt.com/trigger/temperature_alarm/with/key/{your key} 來觸發 VoIP Call
4. 手機安裝 IFTTT App (iOS) (Android), 這是用來收 VoIP Call 的
5. 在你自己的 Grafana Dashboard > Alerting > Notiifcation channels > New channel, type 選 webhook, Url 就是步驟3的 Webhooks, 如下圖所示, 點選 Send Test 就可以看手機 App 有沒有收到電話通知
   
   
   
6. 最後在 Grafana Dashboard, temperature > edit > Add Alert > Condition 選擇 27 以上 or 23 以下, Notifications 選擇 Send to 步驟5 的 channel name, 即完成設定
   
   
   
   

備註：
注意到 iOS 有個新功能, 會卸載未使用的App, 如果 IFTTT 一但被卸載了就無法收到電話通知，所以可以把這個功能關掉
iOS 「設定」→「iTunes與App Store」畫面上，將"卸載未使用的App”關閉

 

[samuel0318]

溢水偵測器

動機
最近開始發現魚缸底部積水，這讓我很洩氣，因為底缸是我自己黏的，換缸是件大工程，但左看右看，又查不出來，所以才有想要做一個溢水偵測器，即時電話通知，讓我馬上檢查哪裡有問題。

硬體

黑線接的是 3.3V, 白線接 A0
//For Wemos D1 mini, A0 is Analog input, max 3.3V input, no pull-up

Arduino
Source code

auto_tank/arduino/WaterDetector/WaterDetector.ino at master · samuelchiang/auto_tank

A IoT Cloud Solution for Reef Tank Data Monitoring and Remote Control - samuelchiang/auto_tank

github.com

電線不導通, A0 會收到 2~3 很低的數值
電線短路, A0 會收到 最高 1024 的數值
電線插到水中, A0 高於 300 便開始發送 MQTT (Topic: event/WaterDetector) 到雲端的 MQTT Broker

Node-Red
Subscriber MQTT (Topic: event/WaterDetector), 一旦收到, 就會發送 IFTTT Webhook, 這會驅動 IFTTT 發出 VoIP Call, 打電話到手機端, 說明魚缸淹水了, 趕快處理. ( IFTTT 的 VoIP Call, 在前一篇文章有解釋)
如果最後一個 MQTT 發送後 60 秒沒有再收到, 警報移除, 不另外通知

Grafana

透過MQTT發送的數值會存在 InfluxDB, 透過 Grafana 做追蹤
但不採用 Grafana 內部的 Alert 機制， 是因為 Grafana 只能 polling database 來確認, 通知上會有延遲，大約20秒才會通知
而在 Node-Red 一收到 MQTT 就馬上通知是最即時的, 兩秒內就收到電話了

心得

1. 板子還沒弄好就找到問題，是補水桶出水處橡膠鬆脫，還好不是魚缸漏水
2. 這個溢水偵測器要用一個Analog Port, 我下一個想要做的電導率也要用一個 Analog Port, 但不管是 NodeMCU 或是 Wemos 都只有一個 Analog Port, 溢水偵測單獨就占用一個板子感覺有點浪費, 所以專案告一段落，未來會用在 ESP32上

1. 可以加上電源控制設備, 即時把該關的關一關 (到底有哪些要關呢？主馬？蛋白？)

參考
簡易的Arduino溢水偵測器

 

[samuel0318]

幫我的水草缸好友設計的感測盒
用來紀錄淡水缸的 pH 值、水溫、TDS 以及室內溫濕度
Server 採用同樣的架構，供各位參考。

值得一提的是，TDS主要是量電壓，透過三次方程式以及溫度補償把電壓轉換為TDS (總溶解固體, 單位為 ppm)
那麼？這跟我想要用 EC 電導率來測量海水鹽度有何不同，我的論點是"可以"但"不可行"。
"可以"的意思是我測到我的海水缸大約在 600 ppm 左右，理論上可以對照光學鹽度計而得出鹽度值
"不可行"的理由是，這個 TDS 探頭是金屬的，不確定材質，雖然採用交流信號，可有效防止探頭極化，但在海水中難免有腐蝕的疑慮，而這點 Gravity EC 就採用玻璃包鉑黑電極，可以試試看。

在這邊想請教有 Apex 系統的朋友，你的 APEX CONDUCTIVITY/SALINITY PROBE 如何防止海水腐蝕？