Новый слой беспроводного датчика IOT для системы мониторинга окружающей среды дома: 5 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

В этом руководстве описывается недорогой слой беспроводного датчика IOT с питанием от батареи для моего более раннего учебного пособия: LoRa IOT Home Environmental Monitoring System. Если вы еще не просматривали это руководство ранее, я рекомендую прочитать введение для обзора возможностей системы, которые теперь расширены до этого нового сенсорного уровня.

Исходная система мониторинга окружающей среды дома LoRa IOT достигла целей, которые я поставил, когда она была опубликована в апреле 2017 года. Однако, после использования системы мониторинга в течение нескольких месяцев для мониторинга температуры и влажности на каждом этаже дома, я захотел добавить еще 11 датчиков в особо уязвимых местах дома; в том числе шесть датчиков, стратегически размещенных в подвале, датчики в каждой ванной комнате и датчик на чердаке, в прачечной и на кухне.

Вместо того, чтобы добавлять больше датчиков на основе LoRa из более ранней версии Instructable, которые довольно дороги и питаются от адаптеров переменного тока, я решил добавить слой более дешевых датчиков с батарейным питанием, использующих передатчики RF Link 434 МГц. Чтобы поддерживать совместимость с существующей системой мониторинга окружающей среды LoRa IOT, я добавил беспроводной мост для приема пакетов 434 МГц и повторной передачи их как пакетов LoRa на частоте 915 МГц.

Новый сенсорный слой состоит из следующих подсистем:

1. Беспроводные пульты дистанционного управления 434 МГц - датчики температуры и влажности с батарейным питанием
2. Беспроводной мост - принимает пакеты 434 МГц и повторно передает их как пакеты LoRa.

Беспроводные пульты дистанционного управления 434 МГц используют более низкую мощность передачи и менее надежные протоколы по сравнению с радиостанциями LoRa, поэтому расположение беспроводного моста в доме выбрано для обеспечения надежной связи со всеми беспроводными пультами дистанционного управления 434 МГц. Использование беспроводного моста позволяет оптимизировать связь с беспроводными пультами дистанционного управления 434 МГц, не накладывая каких-либо ограничений на расположение шлюза LoRa IOT.

Беспроводные пульты дистанционного управления 434 МГц и беспроводной мост построены с использованием готовых аппаратных модулей и нескольких отдельных компонентов. Детали можно получить у Adafruit, Sparkfun и Digikey; во многих случаях запчасти Adafruit и Sparkfun также доступны в Digikey. Для сборки оборудования необходимы грамотные навыки пайки, в частности, двухточечная разводка беспроводных пультов дистанционного управления 434 МГц. Код Arduino хорошо прокомментирован для понимания и упрощения расширения функциональности.

Цели этого проекта включали следующее:

• Найдите более дешевую беспроводную технологию, подходящую для домашних условий.
• Разработайте беспроводной датчик с батарейным питанием, способный работать в течение нескольких лет от одного набора батарей.
• Не требовать модификации аппаратного или программного обеспечения LoRa IOT Gateway из моей предыдущей версии Instructable.

Общая стоимость компонентов для беспроводных пультов дистанционного управления 434 МГц, за исключением батарей 3xAA, составляет 25 долларов, из которых более половины составляет датчик температуры и влажности SHT31-D (14 долларов США).

Как и в случае с пультами LoRa из моей предыдущей версии Instructable, беспроводные пульты дистанционного управления 434 МГц снимают показания температуры и влажности и отправляют отчеты на шлюз LoRa IOT через беспроводной мост каждые 10 минут. Одиннадцать беспроводных пультов дистанционного управления 434 МГц были введены в эксплуатацию в декабре 2017 года с использованием 3 батареек AA, номинально обеспечивающих напряжение 4,5 В. Показания батареи от одиннадцати датчиков в декабре 2017 года варьировались от 4,57 В до 4,71 В, шестнадцать месяцев спустя, в мае 2019 года, показания батареи варьировались от 4,36 В до 4,55 В. Использование деталей с широким диапазоном рабочего напряжения должно гарантировать работу датчиков в течение еще одного года или более при условии сохранения надежности РЧ-линии, поскольку мощность передачи снижается при более низком напряжении батареи.

Надежность сенсорного слоя 434 МГц в моем домашнем окружении была превосходной. Новый сенсорный слой развернут на 4 200 кв.футов готового пространства и 1 800 кв.футов незавершенного подвального помещения. Датчики отделены от беспроводного моста комбинацией 2–3 внутренних стен и пола / потолка. Шлюз LoRa IOT из моей предыдущей версии Instructable отправляет SMS-уведомление, если связь с датчиком потеряна более чем на 60 минут (6 пропущенных десятиминутных отчетов). Один датчик, расположенный на полу в углу в дальнем конце подвала за сложенными ящиками, время от времени будет вызывать предупреждение о потере контакта, однако во всех случаях связь с датчиком восстанавливается без какого-либо вмешательства.

Благодарим вас за посещение этого руководства. Для получения дополнительной информации см. Следующие шаги.

1. Конструкция беспроводного датчика с батарейным питанием
2. Аппаратное обеспечение беспроводного дистанционного управления 434 МГц
3. Программное обеспечение для беспроводного дистанционного управления 434 МГц
4. Оборудование беспроводного моста
5. Программное обеспечение беспроводного моста

Шаг 1. Конструкция беспроводного датчика с батарейным питанием

В конструкции беспроводного пульта дистанционного управления 434 МГц используются следующие компоненты:

• ATtiny85 8-битный микроконтроллер AVR
• Sensirion SHT31-D - Монтажная плата для датчиков температуры и влажности
• Радиочастотный передатчик Sparkfun 434 МГц
• Резистор 10 кОм

Одним из первых дизайнерских решений было избегать устройств, требующих регулируемого напряжения 3,3 В или 5 В, и выбирать детали, которые работают в широком диапазоне напряжений. Это устраняет необходимость в регуляторах напряжения, которые тратят энергию в конструкции с батарейным питанием, и продлевает срок службы датчиков, поскольку они будут продолжать работать дольше при снижении напряжения батареи с течением времени. Диапазоны рабочего напряжения для выбранных деталей следующие:

• ATtiny85: от 2,7 В до 5,5 В
• SHT31-D: от 2,4 В до 5,5 В
• Передача RF Link: от 1,5 В до 12 В

С учетом некоторого запаса беспроводные пульты дистанционного управления 434 МГц должны функционально работать при напряжении батареи до 3 В. Как уже отмечалось, еще предстоит увидеть, насколько хорошо сохраняется надежность РЧ-линии связи, поскольку мощность передачи снижается с более низким напряжением батареи.

Было принято решение использовать 3 батарейки типа АА для обеспечения номинального пускового напряжения 4,5 В. После 16 месяцев эксплуатации наименьшее измеренное напряжение батареи составляет 4,36 В.

Часовой таймер ATtiny85 (WDT) используется для удержания беспроводного пульта дистанционного управления 434 МГц в спящем режиме большую часть времени. ATtiny85 будит WDT каждые 8 секунд для увеличения 10-минутного счетчика; по достижении 10-минутного интервала выполняется измерение и передается пакет данных.

Чтобы еще больше снизить энергопотребление, SHT31-D и передатчик RF Link получают питание от вывода цифрового порта ввода / вывода на ATtiny85, настроенного как выход. Питание подается, когда на выводе ввода-вывода установлено высокое значение (1), и отключается, когда вывод ввода-вывода находится на низком уровне (0). Через программное обеспечение питание этих периферийных устройств подается только каждые 10 минут в течение 1–2 секунд, пока выполняются и передаются измерения. См. Описание программного обеспечения для беспроводного дистанционного управления 434 МГц.

Единственный другой компонент, используемый в беспроводном пульте дистанционного управления 434 МГц, - это резистор 10 кОм, используемый для подтягивания вывода сброса на ATtiny85.

В ранней конструкции использовался резистивный делитель напряжения на батарее, чтобы вывод ADC на ATTINY85 мог измерять напряжение батареи. Несмотря на свои небольшие размеры, этот делитель напряжения создает постоянную нагрузку на аккумулятор. В ходе некоторых исследований был обнаружен трюк, в котором для измерения Vcc (напряжения батареи) используется внутреннее опорное напряжение запрещенной зоны ATtiny85 1,1 В. Установив опорное напряжение АЦП на Vcc и измерив внутреннее опорное напряжение 1,1 В, можно найти Vcc. Внутреннее опорное напряжение 1,1 В ATtiny85 остается постоянным, пока Vcc> 3 В. См. Описание соответствующего программного обеспечения в программном обеспечении для беспроводного дистанционного управления 434 МГц.

Связь между ATtiny85 и SHT31-D осуществляется через шину I2C. Коммутационная плата Adafruit SHT31-D включает подтягивающие резисторы для шины I2C.

Связь между ATtiny85 и передатчиком RF Link осуществляется через цифровой вывод ввода / вывода, настроенный как выход. Библиотека пакетного радио RadioHead RH_ASK используется для включения-выключения (OOK / ASK) передатчика RF Link через этот цифровой вывод ввода / вывода.

Шаг 2. Аппаратное обеспечение беспроводного дистанционного управления 434 МГц

Список деталей:

1 x Макет Adafruit 1/4 размера, Digikey PN 1528-1101-ND

1 батарейный отсек, 3 батарейки AA, Digikey PN BC3AAW-ND

1 коммутационная плата Adafruit Sensiron SHT31-D, Digikey PN 1528-1540-ND

1 передатчик RF Link Sparkfun (434 МГц), Digikey PN 1568-1175-ND

1 x микроконтроллер ATtiny85, Digikey PN ATTINY85-20PU-ND

1 x 8-контактный разъем DIP, Digikey PN AE10011-ND

1 x 10 кОм, резистор 1/8 Вт, Digikey PN CF18JT10K0CT-ND

Длина 6,75 дюйма / 17 см эмалированного медного провода 18AWG

1 х шт. Двусторонняя лента из пеноматериала

18 дюймов / 45 см проволочная обмотка

Для ATtiny85 используется сокет, поскольку внутрисхемное программирование не поддерживается.

Коммутационная плата SHT31-D, передатчик RF Link, 8-контактный DIP-разъем и антенный провод припаяны на макетной плате, как показано на фотографии выше. Перед пайкой на макетную плату удалите эмаль с 1/4 дюйма антенного провода 18AWG.

Резистор 10 кОм припаян на макетной плате между контактами 1 и 8 8-контактного DIP-гнезда.

Провод для намотки проводов припаян к задней части макетной платы, чтобы обеспечить связь между компонентами в соответствии со схематической диаграммой беспроводного дистанционного управления, показанной на предыдущем шаге.

Положительный и отрицательный выводы держателя батареи припаяны к одному набору шин «+» и «-» соответственно на макетной плате.

Беспроводной пульт дистанционного управления 434 МГц протестирован с беспроводным мостом и шлюзом LoRa IOT. Беспроводной пульт дистанционного управления 434 МГц будет немедленно отправлять пакет каждый раз, когда вставляются батареи, а затем каждые ~ 10 минут. При получении беспроводного пакета от сенсорного уровня 434 МГц зеленый светодиод на беспроводном мосте мигает в течение ~ 0,5 с. Имя станции, температура и влажность должны отображаться шлюзом LoRa IOT, если номер беспроводной удаленной станции 434 МГц был предоставлен в шлюзе.

После того, как беспроводной пульт дистанционного управления протестирован с помощью запрограммированного ATtiny85, кусок двусторонней ленты из пеноматериала, обрезанный до размера макета, используется для прикрепления готовой макетной платы к держателю батареи.

Шаг 3. Программное обеспечение для беспроводного дистанционного управления 434 МГц

Программное обеспечение 434-МГц Wireless Remote прилагается к этому шагу и хорошо прокомментировано.

Я программировал микроконтроллеры ATtiny85 с помощью программатора Sparkfun Tiny AVR и Arduino IDE. Sparkfun имеет обширное руководство о том, как настроить драйверы и т. Д., И как заставить программиста работать с Arduino IDE.

Я добавил сокет ZIF (Zero Insertion Force) в Tiny AVR Programmer, чтобы упростить добавление и удаление микросхем из программатора.

Шаг 4: оборудование беспроводного моста

Список деталей:

1 х Arduino Uno R3, Digikey PN 1050-1024-ND

1 x Adafruit Proto Shield Arduino Stack V. R3, Digikey PN 1528-1207-ND

1 плата радиоприемопередатчика Adafruit RFM9W LoRa (915 МГц), Digikey PN 1528-1667-ND

1 приемник RF Link Sparkfun (434 МГц), Digikey PN 1568-1173-ND

1 x 8-контактный разъем DIP, Digikey PN AE10011-ND

Длина 6,75 дюйма / 17 см эмалированного медного провода 18AWG

Эмалированный медный провод 18AWG длиной 3,25 дюйма / 8,5 см

Проволока для намотки проволоки 24 дюйма / 61 см

1 x USB-кабель A / MicroB, 3 фута, Adafruit PID 592

1 источник питания 5 В, 1 А, USB-порт, Adafruit PID 501

Соберите щит для прототипирования в соответствии с инструкциями на Adafruit.com.

Соберите плату приемопередатчика RFM95W LoRa в соответствии с инструкциями на Adafruit.com. Для антенны используется провод 18AWG длиной 3,25 дюйма / 8,5 см, который припаивается непосредственно к плате приемопередатчика после снятия 1/4 дюйма эмали с провода.

Осторожно разрежьте 8-контактный разъем DIP пополам, чтобы получить два набора 4-контактных разъемов SIP.

Припаяйте два 4-контактных разъема SIP к экрану прототипа, как показано. Они будут использоваться для подключения приемника RF Link, поэтому перед пайкой убедитесь, что они находятся в правильных отверстиях, чтобы соответствовать передатчику RF Link.

Припаяйте плату приемопередатчика RFM9W LoRa к экрану прототипа, как показано.

Следующие соединения выполняются между Arduino Uno и платой приемопередатчика RFM9W с помощью проволочной обмотки на верхней стороне макетной платы:

RFM9W G0 Arduino Digital I / O Pin 2, библиотека RadioHead использует прерывание 0 на этом контакте

RFM9W SCK Разъем Arduino ICSP, контакт 3

RFM9W MISO Разъем Arduino ICSP, контакт 1

RFM9W MOSI-разъем Arduino ICSP, контакт 4

RFM9W CS Цифровой ввод / вывод Arduino, контакт 8

RFM9W RST Цифровой ввод / вывод Arduino, вывод 9

На нижней стороне макетной платы выполняются следующие соединения:

RFM9W VIN Макетная плата 5V bus

RFM9W GND Шина заземления макетной платы (GND)

RF Link Rx Pin 1 (GND) Шина заземления макетной платы (GND)

RF Link Rx Pin 2 (Data Out) Цифровой ввод / вывод Arduino, вывод 6

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Макетная плата, шина 5 В

Proto Board Зеленый светодиод Цифровой ввод / вывод Arduino, вывод 7

Информация о контактах для приемника радиочастотного канала доступна на сайте www.sparkfun.com.

Снимите эмаль с 1/4 фута 6,75-дюймового провода 18AWG и вставьте его в отверстие макетной платы, непосредственно примыкающее к контакту 8 RF Link Rx (антенна). соединитесь с контактом 8 RF Link Rx и припаяйте его на место.

Запрограммируйте Arduino Uno с помощью эскиза, представленного на следующем шаге. После перезагрузки или включения зеленый светодиод дважды мигнет в течение 0,5 с. При получении беспроводного пакета от сенсорного уровня 434 МГц зеленый светодиод мигает ~ 0,5 с.

Шаг 5: программное обеспечение беспроводного моста

Программное обеспечение Wireless Bridge прилагается к этому шагу и хорошо прокомментировано.