Смарт-избушка на курьих ножках без электросетей

Как любому продвинутому дачнику, покоя не давала мне идея видеонаблюдения. Но осложнялась идея тем, что на моём винограднике электромагистралей не предвидится в ближайшем обозримом будущем. Всё это хозяйство находится в поле поодаль от цивилизации. Ну и, конечно, чем сложнее и дороже система видеонаблюдения, тем больше привлекательность для злоумышленников по сравнению с сараем, где кроме лопат и грабель ничего не найти. Всё это должно быть недорогим, иметь невзрачный вид и чтобы не привлекать внимание, подчёркивать свою минимальную ценность.

Поэтому был выработан план:

• анжуманя,
• бегит,
• сборка солнечной панели из кремниевых ячеек с Али,
• узел питания для распределения электроэнергии между панелью, аккумулятором и нагрузкой,
• камеры видеонаблюдения,
• видеорегистрация.

Солнечная панель

Для солнечной панели были закуплены 40 элементов со следующим названием лота:
«40 Pcs 4.5W 18.4% Efficiency Polycrystalline Silicon Solar Cell Elements 156 x 156MM». Обошлись ячейки примерно 60$. В комплекте, кроме ячеек, шла бобина с тонким облуженным медным проводом, которым спаиваются последовательно ячейки, немного толстого провода для магистрали и три карандаша с жидким флюсом (незаменимая вещь при спаивании панелей). Сейчас по какой-то причине в такой комплектации же ячеек уже нет, есть только ячейки, которые комплектуются лишь проводом. Карандаш с флюсом придётся приобретать отдельно. Без него тяжело лудить дорожки.

Я использовал 15 солнечных ячеек в панели по схеме 3x5 шт. В итоге теоретическая расчётная мощность 15 * 4.5 ватта составила 67.5 ватта. Напряжение на выходе панели 7.5 вольта (каждый элемент выдаёт 0.5 вольта).

Чтобы собрать панель, нужно подпаять провода к элементам. Сначала рисую дорожку флюсовым карандашом. При нажатии стержень открывает клапан и смачивается жидким флюсом.

Подготовка ячейки к пайке

Плюс на серой стороне, минус на синей. Спаивать буду последовательно.

Ячейка с подпаянными проводами

Провода на одной стороне дублируют друг друга для лучшего прохождения тока. Конечно, будет работать и с одним проводом на сторону, но лучше два. А если смотреть по контактам, то в идеале все пять, если вдруг случится чудо и ячейка выдаст все обещанные 8 ампер. Внутренний голос кричит «Остановитесь! Двух проводов достаточно!». На другой стороне ячейки припаиваю так же два провода. Провода тонкие, легко прогреваются хорошим паяльником. Я паял алиэкспресовским жалом T12.

Низ одной подключается к верху другой для последовательного соединения

Укладываю ячейки на стекло

Прихватываю клеем для проверки

Проверка

Проверяю целостность цепи. Проверка показала в тени 7.6 вольта, как и ожидалось от 15 последовательно соединённых ячеек.

Герметезирую все стороны

Поле проверки приклеиваю пластик

С одной стороны бутерброда выброшенное стекло от витрины, с другой — вспененный пластик толщиной 4 мм от рекламной вывески. Всё это проклеивал герметиком Mamut Den Braven. Исходя из предыдущего опыта, герметик хорошо клеится и к стеклу, но со временем отваливается. Во избежание отвала всё это усилил досками. В результате панель вышла по цене примерно 30$ (половина цены лота), так как практически все компоненты были взяты, грубо говоря, с мусорки, а припой, клей и т. п. даже считать не буду, ибо такое есть у всех в хозяйстве и расход мизерный.

Штук 7 ячеек расколол в процессе, так как эти элементы крайне тонкие и хрупкие. При некотором везении я могу из оставшихся элементов с этого лота сделать ещё одну панель такой же мощности и списать на неё оставшиеся 30$ от цены лота.

Установка на крышу

Чем ближе к зиме, тем ниже проходит солнце и тем больше тени ложится прямо на панель. Придётся обрезать всю крону во избежание затенения.

Обрезка ореха

Хорошая мысля приходит опосля. Нужно сделать замеры тока. У меня так и не представилось возможности сделать замеры мощности летом в хороший солнечный день, когда солнце находится в зените. Отключил всю нагрузку для надёжности эксперимента. Ток КЗ составил 0.43 ампера за пять минут до полного захода солнца. Но это всё равно мне не дало никакой информации о выдаваемой мощности панели в этот момент, ведь я понятия не имею, насколько просело напряжение.

Ток короткого замыкания

Придётся поставить вольтамперметр в цепь, чтобы видеть текущую мощность.

Кстати, панель продолжает выдавать некоторую мощность даже после захода солнца до глубоких сумерек.

Узел питания

▍ Повышение напряжения солнечной панели

Конечно же, по уму для подобной системы нужно приобрести MPTT-контроллер, который будет следить за зарядом аккумулятора, отключать его при полном заряде от панели, отключать нагрузку при полном разряде, следить за оптимальным напряжением и током на панели для эффективности. Но ознакомившись с ценами на нормальные контроллеры, я понял, что такой контроллер не входит в мои планы. Брать дешёвые контроллеры с Али за 10$ нет смысла, потому что их функционал очень сомнителен и, судя по отзывам, никакого заявленного MPTT там и в помине нет. Но самая основная проблема в том, что работать с панелью на 7.5 вольта они не будут, так как бывают на 12 или 24 вольт. Как вариант на будущее — подключить последовательно ещё одну такую же панель и получить 15 вольт на выходе, годные для подачи в MPTT-контроллер.

А сейчас был приобретён повышающий модуль XH-M411, который может работать при входящих напряжениях от 4.5В (хотя кое-где заявляют вообще 3В) и токах до 5А. Я ещё пробовал модуль ZK-S4, который может работать при входящем напряжении от 2В, но мне он не понравился тем, что при проседании напряжения несколько раз не включился до полного отключения напряжения. Грубо говоря, такие ещё и зависать умеют.

Повышайку нужно брать с запасом по минимальному напряжению, потому как при хорошей нагрузке напряжение с панели может просесть и если ожидаемые 7.5 вольта с моей панели опустятся ниже порога, то на выходе повышайки мы получим ровно ничего. А на выходе мне нужно было получить напряжение достаточное для зарядки автомобильного аккумулятора и для питания камер видеонаблюдения, которым требуется 12В. Я настроил выход повышающего модуля на 14В. Это нормально и для камер, и для круглосуточной подпитки свинцового аккумулятора. Кроме того, аккумулятор просаживает цепь до уровня своего заряда, поэтому и на камеру больше 12-13 вольт не попадает.

▍ Не отключайте аккумулятор

Проблема у меня возникла, когда я в рабочей цепи отключил аккумулятор: в этот момент вольтметр показал скачок напряжения до 50 вольт. Судя по тому, что это цифровой вольтметр, и он успел неспешно отобразить цифры, то скачок был совсем не доли секунды. Ни камеры, ни сетевой рутер не сгорели, ведь на таком оборудовании обычно ставится TVS-диод для защиты от скачков. Но мой опыт показал, что повышающий модуль совсем не гарантирует, что заданное выходное напряжение будет максимальным, и что он совсем не является надёжным стабилизатором напряжения. Речь идёт о модуле XH-M411. Я перебирал ещё много других модулей, на которые были ещё различные нарекания, так что система с ними нормально и не работала. С этим же модулем в целом всё работает стабильно, напряжение выше 14 вольт не поднимается и аккумулятор можно держать под таким напряжением круглосуточно. Если есть гарантия, что аккумулятор не будет отключен, то выходное напряжение «повышайки» можно крутить на максимум — аккумулятор всё равно его «просадит», а зарядка пойдёт бодрее. Ограничить же максимум можно или с помощью XH-M411 или как дешёвый вариант, подключением мощного TVS диода вольт на 15. Я пробовал устанавливать LED на 3 ватта, которые начинают светиться при достижении напряжения около 15-16 вольт, но они не просаживают линию, и с ними напряжение легко может взлететь до 30 вольт. Поэтому пока главный стабилизатор — это аккумулятор. У меня ситуации с избытком заряда на аккумуляторе пока ещё не возникало.

▍ Защита от глубокого разряда

Есть ещё одна проблема: если солнечная панель не успеет зарядить аккумулятор, то в тёмное время нагрузка высосет всё и аккумулятор придёт в негодность. Камеры видеонаблюдения работают даже от 7 вольт, так что рассчитывать, что нагрузка отключится сама, не стоит. У меня была коллекция ушатанных тяжёлой жизнью аккумуляторов с очень пониженной ёмкостью относительно первоначальной, которые мне достались в подарок как негодные для автомобиля. Так вот они без ограничения от глубокого разряда перестали совсем выполнять хоть как-то свою задачу очень быстро. Когда я поставил новый мощный аккумулятор на 225Ah, эта проблема уже была решена.

Решается проблема покупкой ещё одного модуля, который называется XH-M609. На этом модуле зажиманием на несколько секунд кнопки можно изменить пороговое значение, при котором нагрузка отключится. Зажав другую кнопку, можно установить разницу, которая определяет, насколько должно быть выше пороговое напряжение, чтобы нагрузка опять включилась. Нужно это для того, чтобы нагрузку не дёргало по питанию туда-сюда, когда напряжение болтается примерно на уровне отключения. Таким образом, мы даём возможность аккумулятору зарядиться, например на 1 вольт, и только тогда включить нагрузку. Так, даже если вышло яркое солнышко, но аккумулятор не заряжен до порогового напряжения плюс дельта, то нагрузка будет отключена и видеонаблюдение работать не будет.

Схема подключения нагрузки к аккумулятору через XH-M609

Вообще, это не единственное назначение модуля XH-M609. Ещё один вариант его использования — это включение балласта, когда аккумулятор уже заряжен, а обычная нагрузка в энергии не нуждается. Можно сделать систему таким образом, чтобы при превышении на аккумуляторе заданного напряжения включался насос для полива, кипятильник для подогрева или просто лампочка в качестве балласта для слива лишней энергии, которая приходит с солнечной панели, во избежание превышения напряжения заряда аккумулятора.

Свитч и роутер

Для организации сети я поставил древний WiFi-роутер, который купил на барахолке за 1 евро. Он оказался рабочим и выполнял все свои функции, но в процессе использования своей смарт-избушки я пришёл к тому, что оборудование нужно устанавливать максимально экономичным. Ведь у меня в планах установить довольно большой спектр оборудования, и разбрасываться электроэнергией с самого начала совсем ни к чему. Надпись на роутере гласила, что его потребление 12В, 1А (12 ватт). Его температура подтверждала, что надписи не сильно-то и врут.

Поэтому, покопавшись в закромах, я выудил из бабушкиного ящика миниатюрный свитч D-Link на пять портов с потреблением 5В, 550 мА (2.75 ватта) и мини GL.Inet роутер на OpenWrt c потреблением 5В, 1А (0.5 ватта). Так как доступ по WiFi мне нужен только для доступа с мобильника, то роутер можно держать отключённым практически всегда. Вот так я свёл потребление сети с 12 до 3 ватт.

Камеры видеонаблюдения

Для начала в сеть подключается лишь две камеры видеонаблюдения. Одна широкоугольная для обзора окрестностей и вторая в скворечник, спрос на которые тут просто зашкаливает.

▍ Широкоугольная камера

Камеры я собираю своими руками. Для широкого обзора подходят только купольные корпуса. Так как территория большая, то толку с подсветки не будет и я её даже не устанавливал. Вместо подсветки я предпочёл использовать светочувствительную матрицу imx335. В кромешной ночи, конечно, она не спасёт, но в сумерках происходящее вокруг вполне можно разглядеть. Кроме того, отсутствие подсветки сэкономит ещё немного заряд ночью.

Широкий угол для охвата окрестностей с наблюдательного пункта

Кромешная ночь, когда даже человеку что-либо тяжело разглядеть

По уму, чтобы повысить чувствительность ночью, нужно установить объектив с аппертурой F1.0 или даже меньше и тогда в связке с матрицей imx335 они будут творить чудеса. Но таких широкоугольных, к сожалению, я не встречал.

Внутренности камеры

▍ Камера для скворечника

Для скворечника я использовал модуль, который было бы не жалко в случае чего. Подключил розетку RJ45 к коннектору камеры, где по одному проводу развёл как сеть, так и питание камеры. На десяти метрах UTP-кабеля 12 вольт особенно не просаживаются с учётом того, что камера без подсветки в среднем потребляет 100-150мА.

Крепление камеры в скворечнике

Самих жителей без видеорегистрации и СМС я так и не смог увидеть, поэтому даже не представляю, кто там проживал, но по структуре выложенного гнезда точно не скворцы, а кто-то совсем небольшой.

Скворечник изнутри с камерой в корпусе «Тунец в оливковом масле»

После вылета птенцов я летом провёл дезинфекцию от паразитов с помощью горелки. Беспокоился лишь о том, что запах горелого дерева будет отпугивать будущих поселенцев. Но нет. Не прошло и месяца, как я заметил, что в жилище опять начали выкладывать гнездо из соломы.

Дезинфекция

К сожалению, пока я строил и отлаживал систему, исправлял ошибки, а видеорегистрация ещё не работала, местные редиски уже забрались и порвали провода… потому что могли. То, что внутри скворечника находится именно камера, они, похоже, даже не поняли, и плата с оторванными проводами осталась на месте. К счастью, птенцы к той поре уже вылетели. Когда буду возвращать в работу, обязательно поставлю IR-подсветку. Внутри скворечника она всё-таки нужна.

Видеорегистратор

Я пробовал вести записи на флэшку внутри камеры. Но такой вариант завёл меня в тупик. Детекция движения при ветре не работает — шевелится вся листва. Если же писать постоянно видеопоток в 5 мегапикселей, то флэшки хватит в лучшем случае на несколько дней. Можно поиграть с уменьшением качества записи, но это всё равно тупик. Доступ к записям неудобный, проще раскрутить камеру и снять флэшку. Было решено установить видеорегистратор с SSD-диском для экономии электричества.

Проблема времени на камерах

Большинство недорогих камер видеонаблюдения не имеет на борту батареи питания и микросхемы часов реального времени, как это обычно организовано на материнских платах. Когда есть подключение к интернету, это не составляет проблемы: после загрузки по протоколу NTP (Network Time Protocol) система получает точное время. Но я даже представить не мог, насколько всё серьёзно, если камера не может получить текущее время.

С неверно выставленными датой и временем на записи невозможно будет определить, когда что происходит. Но это не самое плохое. Записи могут быть перезаписаны, если получится, что после перезагрузки выставится время, которое «уже было».

Решения, конечно же, есть. Но все они не идеальны. Один вариант — это периодически сохранять время и восстанавливать его при загрузке. На многих камерах это поведение по умолчанию. Всё было бы хорошо, если бы микросхемы флэш-памяти, на которых записана прошивка, и на которые будет писаться время, не были бы ограничены по количеству циклов перезаписи. Так, чем реже будет сохраняться время, тем больше записей будет пропадать от перезагрузки. Чем чаще, тем быстрее выйдет из строя флэшка с прошивкой и камера превратится в кирпич (время, скорее всего, будет всегда писаться в один и тот же сектор). Это к пониманию вопроса о том, почему дохнет прошивка на камерах видеонаблюдения. И опять я клоню к тому, чтобы контролировать происходящие процессы на своей камере использованием универсальной прошивки OpenIPC.

Проблемы со временем — это ещё одна причина использовать для записи видеорегистратор, потому что на NVR (Network Video Recorder) платах обычно установлена батарея и микросхема RTC (Real-time clock).

Заключение

Поодаль от людей я часто наблюдаю последствия происходящего в моём винограднике. Зачастую это следы жестоких сражений между животными и птицами, съеденные зайцами побеги винограда, перья от фазанов. Иногда приходится поломать голову, кто же это был, от кого и что осталось, и кто в конце концов выиграл. Я ищу способы, как эти события можно зафиксировать на видеозаписях не самым сложным и не самым дорогим способом.

Ну и, конечно, одна из задач — это выявить, сколько винограда растаскивается аборигенами, и минимизировать эти потери. В первую же неделю, как только были сделаны первые записи с камеры, у меня уже был видеоматериал, как три бабки с пакетиками нагрянули на виноградник и не спеша угощались в течение часа. Виноград я выращиваю не для продажи, а как хобби, но у него есть своя целевая аудитория — родственники и знакомые, а не незнакомые люди со стороны. Мне не жалко, если кто-то попробует килограмм-другой, но эти гости не брезгуют и серьёзной тарой для «проб».

Ближе к осени мои родственники и знакомые угощаются виноградом

В планах на будущее, когда электроэнергии будет хватать с запасом, запланировано подключение интернета через WiFi или WiMax. Мобильный интернет мне совсем не подошёл ограничениями по трафику. Я проводил тесты, и в поле направленной антенной ловятся несколько точек доступа, но понятия не имею, где они могут находиться. В ближайших сотнях метров голое поле, а дальше только гадать. Пробовал ходить с мобильником по окрестностям, но эти точки мобильник не ловит.

Использование китайского NVR тоже оказалось неудобным: чтобы просмотреть записи, нужно использовать мышь и монитор локально. Тут придётся либо искать NVR, который не требует InetrnetExplorer и ActiveX и позволяет просмотреть записи по сети без облаков, либо использовать альтернативный софт вроде ZoneMinder.

Для решения проблемы со временем собираюсь сделать отдельное устройство с сервисом NTP, получающее время через дешёвый GPS-модуль вроде NEO-6M, чтобы все устройства в сети могли точно выставить время при перезагрузке. Но не исключён и такой вариант, что одно из устройств вроде NVR с батарейкой смогут стать NTP-сервером. Но пока на горизонте таких нет: от NVR придётся отказаться, а недорогие одноплатные компьютеры не имеют такой функции и им самим нужен NTP.

Скидки, итоги розыгрышей и новости о спутнике RUVDS — в нашем Telegram-канале