スマート地下室換気システム:Arduinoで湿度制御
必要な部品と用品
| 部品 | 説明 | 数量 |
|---|---|---|
| Arduino Nano R3 | 1 | |
| IO Expander | 1 | |
| IO Expander Bundle | 1 |
アプリとオンラインサービス
| ツール | 説明 |
|---|---|
| Arduino IDE |
プロジェクト概要
機能一覧
- 室内/室外の温度・湿度センサー
- 湿度比較によるスマート換気扇制御
- 地下室/クロールスペースの湿気低減
- カビ発生抑制に貢献
- スマート換気で省電力化
換気システム構築に必要なパーツ
- IO Expander
- 1-Wire to I2C 変換モジュール
- Arduino Nano
- 1チャネル 5V DC リレー
- SHT10 湿度センサー ×2
- I2C SSD1306 OLED 128x64 ディスプレイ
- 110V 172×150×38mm 0.34A 2400RPM ボールベアリングファン ×2
- 158×90×65mm 防水クリアプラスチックケース
- IP68 PG7 防水ナイロンケーブルグランド
- IP68 PG9 防水ナイロンケーブルグランド
- RJ11 キーストーンねじ端子ジャック ×2
- キーストーン用ケース ×2
- 50ft 4C4P RJ11ケーブル ×2
- 6インチ 4C4P RJ11ケーブル
- 100ft 110V電線
- ACプラグ
- 2.54mmピッチ ヘッダーワイヤー
- 12VDC 1A ACアダプター
配線図
OLEDディスプレイ表示
なぜIO Expanderを使うのか?
- 設計がシンプル
- 既製品パーツで構成可能
- 1-Wireドライバーの自作不要
- リレードライバーの自作不要
- OLEDディスプレイドライバーの自作不要
- フォントデータでArduinoコード領域を圧迫しない
- 湿度センサードライバーの自作不要
- Arduinoのコード容量を大幅節約(6106バイト、19%のみ使用)
- コード作成に1日もかからない
- 標準RJ11電話ケーブルで簡単配線
- センサーケーブル長の問題なし
- 市販システムより低コスト
- 個別要件へのカスタマイズが容易
- 単一電源で動作
システムの構築
Arduino NanoをIO Expanderに接続し、以下のコードを書き込みます。6ピンヘッダーはソフトウェアシリアルデバッグポートで、最終設置時は不要です。
注意: ONEWIRE_TO_I2C_ROM の定義アドレスを、お手元の1-Wire to I2Cモジュールのアドレスに変更してください。
スケッチ(Basement/Crawlspace Ventilation System v1.1)
/* IO Expander
* Basement/Crawlspace Ventilation System v1.1
*/
#include <math.h>
#include <SoftwareSerial.h>
#include <avr/wdt.h>
#include "IOExpander.h"
#define FAHRENHEIT
#define ONEWIRE_TO_I2C_ROM "i4s71"
#define INIT_OLED "st13;si;sc;sd"
#define HUMIDITY_SENSOR_INSIDE "s6t1"
#define HUMIDITY_SENSOR_OUTSIDE "s8t1"
#define FAN_ON "r1o"
#define FAN_OFF "r1f"
#define ABSOLUTE_DELTA_FAN_ON 1 // 室内絶対湿度 >= 室外 でファンON
#define ABSOLUTE_DELTA_FAN_OFF 0.5 // 室内絶対湿度 <= 室外 でファンOFF
#define OUTSIDE_RELATIVE_FAN_ON 88 // 室外相対湿度 <= 88% でファンON
#define OUTSIDE_RELATIVE_FAN_OFF 90 // 室外相対湿度 >= 90% でファンOFF
#define MINIMUM_TEMPERATURE 15 // 室外温度 <= 15℃ で間欠運転
#define FAN_ON_TIME (20*60*1000L) // 20分
#define FAN_OFF_TIME (20*60*1000L) // 20分
//#define SERIAL_DEBUG
#define SERIAL_TIMEOUT 5000
#ifdef SERIAL_DEBUG
SoftwareSerial swSerial(8,7);
#endif
struct HS {
float temp;
float relative;
float absolute;
bool error;
};
int led = 13;
bool init_oled = true;
long ontime, offtime;
#ifdef FAHRENHEIT
#define C2F(temp) CelsiusToFahrenheit(temp)
float CelsiusToFahrenheit(float celsius) {
return ((celsius*9)/5)+32;
}
#else
#define C2F(temp) (temp)
#endif
void SerialPrint(const char* str, float decimal, char error) {
Serial.print(str);
if (error) Serial.print(F("NA"));
else Serial.print(decimal, 1);
}
float DewPoint(float temp, float humidity) {
float t = (17.625 * temp) / (243.04 + temp);
float l = log(humidity/100);
float b = l + t;
return (243.04*b)/(17.625-b);
}
#define MOLAR_MASS_OF_WATER 18.01534
#define UNIVERSAL_GAS_CONSTANT 8.21447215
float AbsoluteHumidity(float temp, float relative) {
// Buck (1981) の式を使用
return (6.1121 * pow(2.718281828, (17.67 * temp) / (temp + 243.5))
* relative * MOLAR_MASS_OF_WATER) / ((273.15 + temp) * UNIVERSAL_GAS_CONSTANT);
}
void ReadHumiditySensor(HS* hs) {
SerialCmd("sr");
if (SerialReadFloat(&hs->temp) && SerialReadFloat(&hs->relative)) {
hs->absolute = AbsoluteHumidity(hs->temp, hs->relative);
hs->error = false;
} else hs->error = true;
SerialReadUntilDone();
}
void setup() {
Serial.begin(115200);
#ifdef SERIAL_DEBUG
swSerial.begin(115200);
#endif
pinMode(led, OUTPUT);
wdt_enable(WDTO_8S);
offtime = millis() - FAN_OFF_TIME;
}
void loop() {
HS inside, outside;
static bool fan = false;
static bool cycle = false;
static long last_time = -(60L * 1000L);
Serial.println();
if (SerialReadUntilDone()) {
// センサー読み取りは1分に1回(頻繁だと自己発熱で誤差)
if (millis() - last_time > 60L * 1000L) {
if (SerialCmdDone(HUMIDITY_SENSOR_INSIDE))
ReadHumiditySensor(&inside);
if (SerialCmdDone(HUMIDITY_SENSOR_OUTSIDE))
ReadHumiditySensor(&outside);
if (inside.error || outside.error) fan = false;
else {
if (fan) { // ファン稼働中
if (outside.relative >= OUTSIDE_RELATIVE_FAN_OFF
|| inside.absolute - outside.absolute <= ABSOLUTE_DELTA_FAN_OFF)
cycle = fan = false;
else {
if (cycle && outside.temp <= MINIMUM_TEMPERATURE
&& millis() - ontime > FAN_ON_TIME) fan = false;
}
if (!fan) offtime = millis();
} else { // ファン停止中
if (outside.relative <= OUTSIDE_RELATIVE_FAN_ON
&& inside.absolute - outside.absolute >= ABSOLUTE_DELTA_FAN_ON)
cycle = fan = true;
if (cycle && outside.temp <= MINIMUM_TEMPERATURE)
fan = (millis() - offtime > FAN_OFF_TIME) ? true : false;
if (fan) ontime = millis();
}
}
if (fan) SerialCmdDone(FAN_ON);
else SerialCmdDone(FAN_OFF);
if (SerialCmdNoError(ONEWIRE_TO_I2C_ROM)) {
if (init_oled) {
SerialCmdDone(INIT_OLED);
init_oled = false;
}
// OLED表示コマンド組み立て
SerialCmdDone("st13;sc;sf0;sa1;sd70,0,\"INSIDE\";sd127,0,\"OUTSIDE\";sf1;sa0;sd0,12,248,\""
#ifdef FAHRENHEIT
"F"
#else
"C"
#endif
"\";sd0,30,\"%\";sf0;sd0,50,\"g/m\";sd20,46,\"3\";");
SerialPrint("sf1;sa1;sd70,12,\"", C2F(inside.temp), inside.error);
SerialPrint("\";sd70,30,\"", inside.relative, inside.error);
SerialPrint("\";sd70,48,\"", inside.absolute, inside.error);
SerialPrint("\";sd127,12,\"", C2F(outside.temp), outside.error);
SerialPrint("\";sd127,30,\"", outside.relative, outside.error);
SerialPrint("\";sd127,48,\"", outside.absolute, outside.error);
Serial.print("\";");
Serial.print("sf0;sa0;sd0,0,\"");
if (fan) Serial.print("FAN");
else Serial.print("v1.1");
Serial.println("\";sd");
SerialReadUntilDone();
} else init_oled = true;
last_time = millis();
}
delay(1000);
} else {
digitalWrite(led, HIGH); delay(500);
digitalWrite(led, LOW); delay(500);
init_oled = true;
}
wdt_reset();
}
注意: USBポートでArduino Nanoをプログラミングする場合、IO Expanderも同じシリアルポートを使用するため、一度外してから書き込んでください。デバッグしたい場合はICSPポートでATmega328Pに書き込み、SERIAL_DEBUG を有効にしてください。
110VAC電線を両ファンに接続。
ケースの両側に7/16インチと9/16インチの穴を開け、PG7とPG9グランドを取り付け。PG7で12VDC入力、PG9でセンサーとファンの配線を通します。
開いていて塞がれていないベントを排気口として選択(ここから地下室の空気を排出)。反対側のベントはすべて開けて吸気口に。隣接ベントは閉じて、局所的でなく広域の気流を作ります。
ファンをベント内側にタイラップで固定。空気を外へ吹き出す向きに注意。
既存のアクセスポイントから室外湿度センサーの配線を室内へ。家屋や障害物から十分離れた場所に設置し、正確な外気温湿度を測定。地元の気象データと照合して検証してください。
室外センサーをキーストーンジャックとケースに配線・取り付け。
室内センサーも同様に配線・取り付け。中央付近や湿気が気になる場所が最適。
50ft RJ11ケーブルを湿度センサーとファン配線に接続し、コントロールケース設置場所まで引き回し。
全配線を接続し、コントロールケースに収納。RJ11コネクターが予め圧着されている場合は切り落としてグランドを通し、新しいコネクターを圧着し直します。
システムテストを行い、全て正常動作することを確認。リレーとファンのテストは、ArduinoをIO Expanderから外してPCに直接接続し、手動制御で行います。全て確認できたら、両面テープと梱包用フォームで基板を固定してケースを組み立て、スマート湿度制御換気システムの完成です!
アップデート:2019年3月20日
クロールスペースで数ヶ月稼働し、ハングアップゼロ。給湯器漏水で相対湿度95%以上になった環境でも、50%以下まで低下させることに成功。継続的に動作する制御システムとして機能しています。
SSD1306 0.96インチOLEDからSH1106 1.3インチOLEDに変更。視認性が大幅向上。IO Expanderのファームウェア更新だけで対応可能(コード内の'ST10'を'ST13'に変更するだけ)。
アップデート:2019年9月12日
v1.1をリリース。コールドブート時にOLEDが真っ白になる問題を修正。クロールスペースの換気は継続中!
コード
Basement/Crawlspace Ventilation System (C/C++)
Arduino Nanoでスマート換気システムを構築
/* IO Expander
* Basement/Crawlspace Ventilation System v1.1
*/
#include <math.h>
#include <SoftwareSerial.h>
#include <avr/wdt.h>
#include "IOExpander.h"
#define FAHRENHEIT
#define ONEWIRE_TO_I2C_ROM "i4s71"
#define INIT_OLED "st13;si;sc;sd"
#define HUMIDITY_SENSOR_INSIDE "s6t1"
#define HUMIDITY_SENSOR_OUTSIDE "s8t1"
#define FAN_ON "r1o"
#define FAN_OFF "r1f"
#define ABSOLUTE_DELTA_FAN_ON 1
#define ABSOLUTE_DELTA_FAN_OFF 0.5
#define OUTSIDE_RELATIVE_FAN_ON 88
#define OUTSIDE_RELATIVE_FAN_OFF 90
#define MINIMUM_TEMPERATURE 15
#define FAN_ON_TIME (20*60*1000L)
#define FAN_OFF_TIME (20*60*1000L)
//#define SERIAL_DEBUG
#define SERIAL_TIMEOUT 5000
#ifdef SERIAL_DEBUG
SoftwareSerial swSerial(8,7);
#endif
struct HS {
float temp;
float relative;
float absolute;
bool error;
};
int led = 13;
bool init_oled = true;
long ontime, offtime;
#ifdef FAHRENHEIT
#define C2F(temp) CelsiusToFahrenheit(temp)
float CelsiusToFahrenheit(float celsius) {
return ((celsius*9)/5)+32;
}
#else
#define C2F(temp) (temp)
#endif
void SerialPrint(const char* str, float decimal, char error) {
Serial.print(str);
if (error) Serial.print(F("NA"));
else Serial.print(decimal, 1);
}
float DewPoint(float temp, float humidity) {
float t = (17.625 * temp) / (243.04 + temp);
float l = log(humidity/100);
float b = l + t;
return (243.04*b)/(17.625-b);
}
#define MOLAR_MASS_OF_WATER 18.01534
#define UNIVERSAL_GAS_CONSTANT 8.21447215
float AbsoluteHumidity(float temp, float relative) {
return (6.1121 * pow(2.718281828, (17.67 * temp) / (temp + 243.5))
* relative * MOLAR_MASS_OF_WATER) / ((273.15 + temp) * UNIVERSAL_GAS_CONSTANT);
}
void ReadHumiditySensor(HS* hs) {
SerialCmd("sr");
if (SerialReadFloat(&hs->temp) && SerialReadFloat(&hs->relative)) {
hs->absolute = AbsoluteHumidity(hs->temp, hs->relative);
hs->error = false;
} else hs->error = true;
SerialReadUntilDone();
}
void setup() {
Serial.begin(115200);
#ifdef SERIAL_DEBUG
swSerial.begin(115200);
#endif
pinMode(led, OUTPUT);
wdt_enable(WDTO_8S);
offtime = millis() - FAN_OFF_TIME;
}
void loop() {
HS inside, outside;
static bool fan = false;
static bool cycle = false;
static long last_time = -(60L * 1000L);
Serial.println();
if (SerialReadUntilDone()) {
if (millis() - last_time > 60L * 1000L) {
if (SerialCmdDone(HUMIDITY_SENSOR_INSIDE))
ReadHumiditySensor(&inside);
if (SerialCmdDone(HUMIDITY_SENSOR_OUTSIDE))
ReadHumiditySensor(&outside);
if (inside.error || outside.error) fan = false;
else {
if (fan) {
if (outside.relative >= OUTSIDE_RELATIVE_FAN_OFF
|| inside.absolute - outside.absolute <= ABSOLUTE_DELTA_FAN_OFF)
cycle = fan = false;
else {
if (cycle && outside.temp <= MINIMUM_TEMPERATURE
&& millis() - ontime > FAN_ON_TIME) fan = false;
}
if (!fan) offtime = millis();
} else {
if (outside.relative <= OUTSIDE_RELATIVE_FAN_ON
&& inside.absolute - outside.absolute >= ABSOLUTE_DELTA_FAN_ON)
cycle = fan = true;
if (cycle && outside.temp <= MINIMUM_TEMPERATURE)
fan = (millis() - offtime > FAN_OFF_TIME) ? true : false;
if (fan) ontime = millis();
}
}
if (fan) SerialCmdDone(FAN_ON);
else SerialCmdDone(FAN_OFF);
if (SerialCmdNoError(ONEWIRE_TO_I2C_ROM)) {
if (init_oled) {
SerialCmdDone(INIT_OLED);
init_oled = false;
}
SerialCmdDone("st13;sc;sf0;sa1;sd70,0,\"INSIDE\";sd127,0,\"OUTSIDE\";sf1;sa0;sd0,12,248,\""
#ifdef FAHRENHEIT
"F"
#else
"C"
#endif
"\";sd0,30,\"%\";sf0;sd0,50,\"g/m\";sd20,46,\"3\";");
SerialPrint("sf1;sa1;sd70,12,\"", C2F(inside.temp), inside.error);
SerialPrint("\";sd70,30,\"", inside.relative, inside.error);
SerialPrint("\";sd70,48,\"", inside.absolute, inside.error);
SerialPrint("\";sd127,12,\"", C2F(outside.temp), outside.error);
SerialPrint("\";sd127,30,\"", outside.relative, outside.error);
SerialPrint("\";sd127,48,\"", outside.absolute, outside.error);
Serial.print("\";");
Serial.print("sf0;sa0;sd0,0,\"");
if (fan) Serial.print("FAN");
else Serial.print("v1.1");
Serial.println("\";sd");
SerialReadUntilDone();
} else init_oled = true;
last_time = millis();
}
delay(1000);
} else {
digitalWrite(led, HIGH); delay(500);
digitalWrite(led, LOW); delay(500);
init_oled = true;
}
wdt_reset();
}
回路図
Arduino Nanoでスマート換気システムを構築
製造プロセス
- Python連携で信頼性向上: Arduino RFID勤怠管理システム
- Arduino Unoベースの人間検知レスキューロボット:センサー統合ステップバイステップ
- Bluetooth操作のArduinoスパイボットを自作する
- FlickMote:ジェスチャー操作のIRリモコンでスマートホームを制御
- 自作Arduino TV-B-Gone:全テレビ対応の万能リモコン
- 12メートル先から見える大型LEDマスタークロック(アラーム機能付き)を自作しよう
- SERENA:Arduino Mega 2560とTFT LCDタッチスクリーン搭載カスタムアラームシステム
- Arduinoで作る全自動植物水やりシステム - 湿度センサーとRTCで最適制御
- リアルタイム森林火災監視システム: SMSアラート機能付き
- ArduinoとGoogleスプレッドシート連携 リアルタイムRFID勤怠管理システム
- 換気システム完全ガイド:仕組み・種類・高機能化・法規制対応