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PiUS - der etwas andere π-Ultraschall-Sensor

Herzlich willkommen beim PiUS - einem smarten Ultraschall-Sensor basierend auf dem Raspberry Pi und REBOL.
 
Diese Seite zeigt eine weitere Entwicklung von TGD-Consulting im Bereich der embedded Hard- & Software-Lösungen rund um den Raspberry Pi und richtet sich an alle Anwender und Entwickler, welche einen Raspberry Pi zur Entfernungsmessung per Ultraschall nutzen möchten.

Nur hier können Sie eine offizielle Lizenz für das Bundle der "PiUS-It!" Management Software zum Preis von €29,99 EUR erwerben. Das Softwarebundle beinhaltet bereits alle erforderlichen Module (Webserver, Archivierung & Plot, UltraSonic, LCDisplay) der Management Software, die für eine Füllstandsanzeige oder ein Entfernungsmessgerät auf Basis des Raspberry Pi erforderlich sind.

Die Software läuft auf allen Raspberry Pi Modellen. Das modulare Konzept der "PiUS-It!" Management Software ist ideal für die neue Mehrkern-Architektur des Raspberry Pi 2/3 geeignet und nutzt dessen zusätzliche Rechenleistung optimal aus.

Die "PiUS-It!" Management Software zeichnet sich besonders durch
  • ein sehr einfaches Setup,
  • einen geringen Speicherbedarf (< 1MB),
  • die effiziente, modulare, smarte Anwendung
  • durch einen im User-Space laufenden embedded Webserver und
  • einer optionalen Darstellung der Messergebnisse auf abgesetztem LCD aus.
PiUS-Logo

Eine Übersicht sowie Informationen zur aktuellen Version der Software entnehmen Sie bitte den Release-Notes.

Die Hardware, welche auf den folgenden Fotos abgebildet ist, dient ausschließlich zur Veranschaulichung und als Beispiel wie PiUS aussieht und wie der Aufbau erfolgt. Die erforderliche Hardware müssen Sie bei den jeweiligen Herstellern bzw. über deren Vertriebskanäle beziehen. TGD-Consulting bietet nur IT-Dienstleistungen und Softwarelösungen an.

Sie möchten ihren eigenen PiUS basierend auf der "PiUS-It!" Management Software bauen? Dann erwerben Sie eine Lizenz und lesen einfach weiter ...

Hier finden Sie als Schnelleinstieg direkt eine Antwort auf die häufigsten Fragen:

Weitere Antworten auf Fragen finden Sie in der FAQ.


Die Bezeichnung PiUS steht für π-Ultraschall-Sensor und stellt die Erweiterung eines gewöhnlichen Raspberry Pi zu einem per Webinterface steuerbaren Ultraschall-Sensor dar. PiUS ist vielseitig einsetzbar. Er kann sowohl als universelles Distanzmessgerät, als Annäherungssensor in Garagen oder auch zur Überwachung von Tanks, Regenwassertonnen und Zisternen sowie zur Messung des Grundwasserspiegels
PiUS als Grundwasser Pegelmessgerät: Beispiel einer Grundwasserganglinie
oder des Pegelstandes von stehenden oder fließenden Gewässern genutzt werden. Im Folgenden werden die letzteren Anwendungsbeispiele näher beschrieben.

Lernen Sie nun die Vorteile und Möglichkeiten vom π-Ultraschall-Sensor in allen Einzelheiten kennen und überzeugen sich gleich hier und jetzt im Internet von der "PiUS-It!" Management Software und deren einfach smarten Bedienung sowie den umfangreichen Konfigurationsmöglichkeiten. Alle wichtigen Funktionen von PiUS lassen sich auch aus der Ferne unter Verwendung eines Browsers von jedem beliebigen PC, Tablet oder Smartphone aus steuern und überwachen. Hier sieht man

PiUS in action: 

PiUS-WebUI
Die Bedienoberfläche von PiUS.

Der Systempreis eines PiUS inkl. aller benötigten Komponenten liegt bei unter 100,- EUR. Darin sind bereits die Lizenzkosten für die "PiUS-It!" Management Software enthalten. Die auf dieser Seite gezeigte Version eines PiUS besteht aus folgenden Komponenten:

HardwareSoftware
PiUS Prototyp 

PiUS-PrototypPiUS-PrototypPiUS-Prototyp
PiUS Protoyp mit geöffnetem Gehäuse.

Das äußere Erscheinungsbild unseres PiUS-Prototyps ist geprägt durch die beiden silbernen runden Ultraschall Sende- und Empfangssensoren. Aufgrund der Größe des HC-SR04 Ultraschall-Moduls ist der Einbau in ein gewöhnliches Raspberry Pi Kunststoffgehäuse etwas umständlich. Die einzelnen Komponenten des PiUS können aber trotzdem von jedem ambitionierten Anwender mit etwas Geschick selbstständig zusammengebaut werden. Alle Komponenten lassen sich direkt über das Internet beziehen. Die Bezugsquellen sind zum Teil in den obigen Listen verlinkt. Wir nutzen für unseren Prototypen des PiUS einen Raspberry Pi Model A, der um das HC-SR04 Ultraschall-Modul erweitert wird. Dadurch lässt sich auf sehr kostengünstige Weise ein einfaches digitales Entfernungsmessgerät im Eigenbau zusammenstellen.

Da spritzwassergeschützte und für den Außenbereich geeignete Gehäuse für den Raspberry Pi bekanntermaßen recht teuer sind, empfiehlt sich bei Bedarf das Ultraschall-Modul über ein beliebiges 4-adriges Kabel an den Raspberry Pi anzuschließen. Damit können auch größere Strecken zwischen Ultraschall-Modul und Raspberry Pi überbrückt werden. Sofern die Kabelqualität stimmt, funktioniert dies bei Längen bis zu 20m ohne Probleme.
Anstelle des günstigeren HC-SR04 Ultraschall-Moduls
HC-SR04 Ultraschall-Modul
kann auch das DYP-ME007Y Ultraschall-Modul
DYP-ME007Y Ultraschall-Modul
genutzt werden. Das DYP-ME007Y Modul ist zwar in der Anschaffung teurer, bietet aber den Vorteil, dass es für den "Outdoor"-Einsatz besser geeignet ist und das der Sensor über ein ca. 2,4m langes Kabel vom Modul abgesetzt ist. Beim HC-SR04 Modul hingegen ist der Ultraschallsensor direkt auf der Platine des Moduls angebracht. Beide Module sind vom Anschluss her kompatibel zueinander.

Die Anschlüsse des Ultraschall-Moduls sind direkt mit der 5 Volt Versorgungsspannung und der GPIO-Schnittstelle der Stiftleiste P1 des Raspberry Pi verbunden. Ein Spanungsteiler bestehend aus zwei Widerständen sorgt für die notwendige Pegelanpassung am GPIO23 (Echo-Eingang). Bei Verwendung längerer Kabel sollte der Spannungsteiler dann aber RPi-seitig in unmittelbarer Nähe zur Stiftleiste P1 platziert werden. Das HC-SR04 Modul wird über GPIO24 getriggert. Der genaue Anschluss des Ultraschall-Moduls ergibt sich aus dem unten abgebildeten Schaltplan.

Achtung: Falls es im laufenden Betrieb zu unerwartenden Systemhängern kommt, deutet dies auf eine zu schwache Stromversorgung des Raspberry Pi hin. Tauschen Sie dann das Netzteil gegen ein stärkeres und zuverlässigeres aus.

Beim Einbau der Komponenten ins Gehäuse sollten Kurzschlüsse vermieden werden. Achten Sie daher beim Einbau des Ultraschall-Moduls darauf, dass keine ungewollten Verbindungen zu spannungsführenden Leitungen entstehen. Insbesondere beim Einbau des Raspberry Pi und im Umgang mit dem HC-SR04 Modul ist darauf zu achten, dass entsprechende Schutzmaßnahmen gegen statische Aufladungen ergriffen werden.
Der Ethernet-Port (nur beim Model B vorhanden) sowie der USB-Anschluss des Raspberry Pi (Model A & B) sind frei zugänglich, sodaß der π-Ultraschall-Sensor (PiUS) entweder per Cat-Kabel oder USB-WLAN-Adapter ans eigene LAN angeschlossen werden kann. So sieht unser PiUS-Prototyp zur Zeit von innen aus:

PiUS Innenleben 

PiUS-Schaltplan   PiUS-Verdrahtung
PiUS - magic by design.

Die Messung einer Entfernung mittels Ultraschall ist prinzipiell recht simple und basiert auf der Geschwindigkeit des Schalls. Der Ultraschall-Sensor des PiUS sendet in Richtung eines entfernten Zielobjektes einen Ultraschall-Ton aus. Dieser Ton wird am Objekt reflektiert und als Echo zum Sensor zurückgeworfen. Aus der Laufzeit der Schallwelle wird dann die Distanz zum Objekt berechnet. Das HC-SR04 Ultraschall Modul kommuniziert über den GPIO23 (Echo/IN) und GPIO24 (Trigger/OUT) mit dem Raspberry Pi. Die Steuerung und Auswertung der Signale übernimmt dabei ein REBOL3 Skript, das UltraSonic-Modul.

Die Vorteile einer Entfernungsmessung mittels Ultraschall sind offensichtlich. Messungen sind relativ einfach und kostengünstig durchzuführen. Sie bietet eine gute Genauigkeit in leeren Räumen, allerdings können Hindernisse, schräge Meßflächen, Wind und schwankende Temperaturen das Messergebnis verfälschen. Das HC-SR04 Ultraschall-Modul ist sehr günstig und bereits für wenige Euro erhältlich. Es verfügt über einem Messbereich von 2 cm bis 4 m und das bei einer maximalen Genauigkeit von 3 mm. Der Öffnungswinkel des Ultraschall-Sensors beträgt 15°. Das HC-SR04 Modul benötigt eine Versorgungsspannung von 5 V und hat im Betrieb eine Stromaufnahme von 15 mA. Daher kann es direkt über die Stiftleiste P1 des Raspberry Pi mit Strom versorgt werden.

Das zentrale Kernstück des PiUS stellt die "PiUS-It!" Management Software dar, welche neben einem Webserver-Modul auch das UltraSonic-Modul sowie das Archivierungs- & Plot-Modul beinhaltet. Mit Hilfe von letzterem archiviert PiUS-It! alle Messdaten und bereitet die Daten für die grafische Darstellung als Plot auf. Die Grafiken werden dabei jede Nacht, um kurz vor Mitternacht, automatisch aktualisiert und als Resourcen für eine Seite des Webservers bereitgestellt. Die übersichtlichen Tages- , Wochen-, Monats- sowie Jahresgrafiken (siehe oben) werden beim Anklicken vergrößert. Das UltraSonic-Modul ist Donationware und unter dieser Rahmenbedingung als Open Source verfügbar. Die übrigen Bestandteile der Management Software sind Closed-Source und erfordern den Erwerb einer Lizenz.

Das aktuelle Release der Software enthält zusätzlich ein LCD-Modul, welches die Darstellung der Messergebnisse (Pegel-/Füllstand)

Darstellungsbeispiele auf optionalem LCD
durch die direkte Ansteuerung eines Liquid-Chrystal-Displays (HD44780 LCD) ermöglicht. Wie das optionale LCD-Modul genau genutzt wird, entnehmen Sie bitte der FAQ.

Die Software benötigt eine REBOL3-Laufzeitumgebung/Interpreter. Wer möchte kann selbst den Source Code des REBOL3-Interpreters für den Raspberry Pi compilieren. Der Master Branch ist unter der Apache2.0-Lizenz auf GitHub veröffentlicht. Alternativ dazu kann ein fertiges Binary für Raspbian direkt hier von unserer Homepage heruntergeladen werden.

Die Bedienung von PiUS-It! erfolgt einfach über einen normalen Web-Browser. Das Webserver-Modul übernimmt dabei die komplette Kommunikation und Steuerung. Eine integrierte Suchfunktion ermöglicht die einfache und schnelle Suche nach historischen Messwerten. Darüber hinaus haben wir im Webserver-Modul eine Statusfunktion ("...ein nettes Gimmick ...") implementiert, welche u.a. die Temperatur des SOCs des Raspberry Pi der letzten 10 Stunden aufzeichnet und als Temperaturverlauf darstellt. Klicken Sie dafür einfach auf das entsprechende π im unteren Bereich der Seite und erfahren so wie warm es im Inneren des PiUS ungefähr ist.
Neben diesem Gimmick konfigurieren Sie mit Hilfe des Webserver-Moduls auch die wesentlichen Funktionen von PiUS. Angefangen mit der Angabe des Fassungsvermögens der verwendeten Zisterne über die Abtastrate der Abstandsmessungen bis hin zur Festlegung möglicher Wartungsintervalle sowie der optionalen Ereignissteuerung werden alle wichtigen Parameter über die Systemeinstellungen zentral vom Browser aus konfiguriert.
Mit der universellen Ereignissteuerung

Beispiel einer LED-Pegelanzeige auf Basis der Ereignissteuerung
können konfigurierbare Ereignisse (GPIOs, E-Mail oder Shell-Befehle) pegelabhängig gesteuert werden. So lassen sich zum Beispiel eine automatische Nachspeisung der Zisterne oder eine pegelabhängige Gartenbewässerung mit Hilfe von magnetischen Ventilen oder Pumpen über zusätzliche GPIOs und Relais-Module einfach realisieren. Ebenso ist auf diese Weise eine Benachrichtigung per E-Mail bei leerer oder voller Zisterne möglich.
Eine Übersicht der verschiedenen Einstellungsmöglichkeiten ist aus dem folgenden Bild ersichtlich.

PiUS-Settings 

PiUS-Settings
Die Systemeinstellungen von PiUS (PiUS-Settings).

Anmerkung: Werksseitig sind die Systemeinstellungen (PiUS-Settings) nur über das selbe Netzsegment erreichbar, indem sich auch der PiUS befindet. Bei Bedarf kann dies entsprechend der eigenen Sicherheitsanforderungen angepasst werden. Falls keine Adresse für die Admin IP oder keine IP-Range festgelegt wird, ist der π-Ultraschall-Sensor von jeder beliebigen IP-Adresse aus konfigurierbar! Optional kann auch ein Zugriffsschutz aus einer Kombination von Benutzername und Kennwort individuell festgelegt werden.

Da es unzählige Arten von Zisternen und Tanks in den unterschiedlichsten Bauformen von verschiedenen Herstellern gibt, erweist sich eine exakte Berechnung des aktuellen Volumens als schwierig. Die "PiUS-It!" Management Software berechnet das Volumen linear zum konfigurierten Gesamtfassungsvermögen und kann daher ohne weitere Anpassung für Zisternen und Tanks in rechteckiger oder kubischer Form sowie für vertikal zylindrische Zisternen genutzt werden.
Andere Bauformen lassen sich bequem über Peiltabellen integrieren. Dabei wird das Volumen anhand einer Peiltabelle (Mapping-Tabelle per CSV-Datei) an die lokalen Gegebenheiten der Zisterne individuell angepasst. Im Softwarebundle sind bereits Peiltabellen zu den Zisternen folgender Hersteller enthalten:

Über den folgenden Link können Sie eine Lizenz von "PiUS-It!" sowie die Software selbst kostenpflichtig beziehen. Mit der Lizenz für das Softwarebundle erwerben Sie auch ein beschränktes, nicht exklusives Nutzungsrecht für die jeweiligen Module. Eine zusätzliche Lizensierung der einzelnen Module ist nicht erforderlich. Trotzdem können bei Bedarf neben einzelnen Lizenzen für die jeweiligen Module ( Archivierung & Plot / Webserver ) auch Volumenlizenzen unserer Software erworben werden. Genaue Angaben zu den Preisen und Mengenrabatten erhalten Sie auf Anfrage.

Bestandskunden können hier ein Upgrade ihrer Lizenz auf die jeweils aktuelle Version der PiUS-It! Management Software zum vergünstigten Preis von 9,99 EUR erwerben.

Installation & Start: Die Software kommt als Tarball, welcher nur entpackt werden muss (tar xvf PiUSIt.tar) und schon steht die "PiUS-It!" Management Software einsatzbereit auf dem Raspberry Pi zur Verfügung. Durch manuellen Aufruf des Shell-Skripts ./PiUSIt.sh start werden die PiUS-It! Module auf dem Raspberry Pi gestartet. Dieses Skript kann natürlich auch als init-Skript zum automatischen Starten von PiUS-It! ins System eingebunden werden. Als Alternative zum Shell-Skript lassen sich die PiUS-It! Module auch einzeln ausführen. Durch Eingabe von ./bin/r3 PiUSIt.r & wird das Archivierungs & Plot-Modul sowie das UltraSonic-Modul gestartet. Der Start des Webserver-Moduls erfolgt durch diesen Befehl ./bin/r3 Webserver.r & . Wir empfehlen aber die Einbindung des Webserver-Moduls als ReSpawn-Process in der /etc/inittab . Dies bietet den Vorteil, dass das Webserver-Modul jedesmal neu startet, sobald es beendet wurde.

Anwendung: Die weitere Nutzung sowie die Konfiguration der PiUS-It! Software erfolgt, wie oben bereits erwähnt, ausschließlich über den Browser des PCs, Tablets oder Smartphones. Geben Sie dazu einfach als URL die IP-Adresse des Raspberry Pi und den verwendeten Port des Webserver-Moduls in dem Browser ein ( z.B.: http://192.168.0.100:8080 ). Alles Weitere ist selbsterklärend oder erschließt sich von selbst.


Wir hoffen Sie sind von den Vorteilen des PiUS und vom smarten Design der Software ebenso überzeugt wie wir. Falls Sie Fragen, Wünsche oder Verbesserungsvorschläge zum PiUS oder zu der "PiUS-It!" Management Software haben, wir freuen uns auf Ihre Anfrage.

Sie haben Interesse an einer Füllstandsanzeige auf Basis eines zuverlässigen hydrostatischen Druck-Messverfahrens, dann klicken Sie hier

 

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