Компактный датчик погоды с каналом передачи данных GPRS (SIM-карта): 4 шага

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

Резюме проекта

Это погодный датчик с батарейным питанием, основанный на датчике температуры / давления / влажности BME280 и микроконтроллере ATMega328P. Он работает от двух литий-тиониловых батареек AA на 3,6 В. Он имеет сверхнизкое потребление в режиме сна - 6 мкА. Он каждые полчаса отправляет данные через GPRS (используя GSM-модуль SIM800L) в ThingSpeak, управляемый часами реального времени DS3231. Расчетный срок службы одного комплекта батарей составляет> 6 месяцев.

Я использую SIM-карту ASDA с оплатой по мере использования, которая предлагает чрезвычайно хорошие условия для целей этого проекта, поскольку у нее очень долгий срок действия кредита (180 дней) и взимается только объем данных 5 пенсов за МБ.

Мотивация: Разработка экономичного, не требующего обслуживания, автономного датчика окружающей среды с батарейным питанием, который можно разместить в дикой природе для сбора данных о погоде или других данных и передачи через сеть GSM / GPRS на сервер IoT.

Физические размеры: 109 x 55 x 39 мм (включая фланцы корпуса). Вес 133 г. Рейтинг IP 54 (оценка).

Стоимость материала: прибл. 20 фунтов стерлингов за единицу.

Время сборки: 2 часа на единицу (ручная пайка)

Источник питания: две неперезаряжаемые литий-тиониловые батареи AA (3,6 В, 2,6 Ач).

Сетевой протокол: GSM GPRS (2G)

Возможное использование: Любое удаленное место с зоной покрытия GSM-сигнала. Леса, маяки, буи, частные яхты, караваны, кемпинги, горные хижины, нежилые постройки.

Тест на надежность: с 30.8.20. Один блок проходит длительные испытания без присмотра. За исключением одного сбоя программного обеспечения, он надежно отправлял данные каждые 30 минут.

Шаг 1: Необходимые детали

• Печатная плата на заказ. Заархивированные файлы Gerber здесь (кажется, что Instructables.com блокирует загрузку файлов ZIP). Я настоятельно рекомендую jlcpcb.com для производства печатных плат. Для людей, живущих в Великобритании, я счастлив отправить вам запасную печатную плату с минимальным вкладом в материальные и почтовые расходы - напишите мне.
• ATMega328P-AU
• Модифицированные часы реального времени DS3231 (см. Параграф ниже)
• BME280 Коммутационная плата, такая как эта
• Модуль SIM800L GSM GPRS
• Различные детали SMD согласно подробному списку.
• Hammond 1591, черный корпус из АБС-пластика, IP54, фланцевое соединение, 85 x 56 x 35 мм, от RS Components UK

Модификация DS3231

Цепь из четырех резисторов, обведенная красным, необходимо распаять. Другие, более деструктивные методы тоже подойдут, но избегайте перекрытия контактных площадок на внутреннем ряду из 4 контактных площадок (в сторону микроконтроллера). Остальные 4 контактных площадки так или иначе связаны дорожками печатной платы. Эта модификация необходима для того, чтобы вывод SQW мог работать как сигнализация. Без удаления резисторов он не будет работать, пока вы не подключите к модулю источник питания VCC, что лишает смысла использование часов реального времени с очень низким энергопотреблением.

Шаг 2: Принципы схемы

Основными приоритетами дизайна были:

• Работа от батареи с низким потреблением тока в спящем режиме
• Компактный дизайн

Источник питания

Две литий-тиониловые батареи типа AA 3,6 В. P-канальный MOSFET для защиты от обратной полярности.

В схеме два регулятора напряжения:

• Понижающий регулятор Texas Instruments TPS562208 на 2 А для питания SIM800L при напряжении около 4,1 В. Его можно переключить с ATMega, и большую часть времени он переводится в режим выключения через вывод 5 включения.
• Регулятор MCP1700 3.3V для ATMega и BME280. Это чрезвычайно эффективный стабилизатор с низким падением напряжения и током покоя всего около 1 мкА. Поскольку он допускает только входное напряжение до 6 В, я добавил два выпрямительных диода (D1, D2) последовательно, чтобы снизить напряжение питания 7,2 В до приемлемого уровня около 6 В. Я забыл добавить на печатную плату обычный развязывающий конденсатор на 10 мкФ для блока питания ATMega. Поэтому я увеличил обычный выходной конденсатор MCP1700 с 1 до 10 мкФ, и он работает нормально.
• Контроль напряжения батареи через ADC0 на ATMega (через делитель напряжения)

Часы реального времени

Модифицированный DS3231, который будит ATMega через определенные интервалы, чтобы начать цикл измерения и передачи данных. Сам DS3231 питается от литиевого элемента CR2032.

BME280

Я пробовал использовать оригинальный модуль Bosch BME280 отдельно, который практически невозможно припаять из-за его крошечных размеров. Поэтому я использую широко распространенную коммутационную плату. Поскольку в нем есть ненужный регулятор напряжения, который потребляет энергию, я включаю его с помощью N-канального MOSFET непосредственно перед измерениями.

SIM800L

Этот модуль надежен, но кажется довольно темпераментным, если источник питания не прочный. Я обнаружил, что лучше всего работает напряжение питания 4,1 В. Я сделал дорожки печатной платы для VCC и GND на SIM800L очень толстыми (20 мил).

Схема / комментарии к печатной плате

• Сетевая метка «1» - указанная как «SINGLEPIN» в списке деталей просто относится к штырю штыревого разъема.
• Два контакта, примыкающие к ползунковому переключателю, должны быть перемкнуты перемычкой для нормальной работы, в противном случае линия VCC здесь будет разомкнута. При необходимости они предназначены для измерения силы тока.
• Конденсатор на 100 мкФ (C12) для модуля SIM800L не требуется. Он был добавлен в качестве меры предосторожности (отчаянной) в случае ожидаемых проблем со стабильностью.

Рекомендуемые этапы сборки

1. Соберите все компоненты блока питания в левой нижней части печатной платы. Контакт включения (контакт 5) TPS562208 должен иметь высокий логический уровень для тестирования, в противном случае модуль находится в режиме выключения, и на выходе будет 0 В. Чтобы подтянуть контакт Enable к высокому уровню для тестирования, временный провод от контактной площадки 9 ATMega (который на печатной плате подключен к контакту 5 регулятора напряжения) может быть подключен к точке VCC; ближайшая точка будет к нижнему выводу R3, который находится на линии VCC.
2. Проверьте выход TPS562208 между нижними контактами C2, C3 или C4 и GND. У вас должно быть около 4,1 В.
3. Тестовый выход от MCP1700, между верхним правым контактом U6 и GND. У вас должно быть 3,3 В.
4. Припой ATMega328P; обратите внимание на маркер штифта 1 в верхнем левом углу. Требуется некоторая практика, но не слишком сложная.
5. Записать загрузчик на ATMega328 - руководства для этого в другом месте. Вам не обязательно использовать контактные заголовки для подключения к MOSI, MISO, SCK и RST. В течение нескольких секунд, необходимых для записи загрузчика, вы можете использовать провода Dupont и слегка наклонить их, чтобы добиться хорошего контакта.
6. Присоедините 5 штекерных разъемов для DS3231.
7. Припаяйте SIM800L через штыревые разъемы
8. Припой BME280
9. Загрузите код в Arduino IDE с помощью адаптера USB2TTL (выберите Arduino Uno / Genuino в качестве цели).

Шаг 3: код Arduino

См. Исходный код Arduino во вложении файла.

Шаг 4: Тест в реальном мире

Я просверлил два маленьких отверстия на правой стороне корпуса, чуть глубже к передней стороне. Я накрыл их изнутри пластырями Goretex, чтобы обеспечить воздухообмен, но исключить воду. Я добавил дополнительную защиту от дождя с помощью маленьких пластиковых крыш. Затем я вставляю всю сборку в корпус так, чтобы компоненты были обращены вперед, а аккумулятор - к крышке. Я добавляю немного силиконовой смазки в корпус для дополнительной защиты от проникновения воды.

В настоящее время агрегат «установлен» у небольшой речки. Вот поток данных в реальном времени.