Noul strat senzor IOT fără fir pentru sistemul de monitorizare a mediului acasă: 5 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:44

Acest instructabil descrie un strat de senzor IOT fără fir, cu costuri mai mici, alimentat de baterie, pentru sistemul meu de monitorizare de mediu LoRa IOT Home. Dacă nu ați vizionat deja acest Instructable anterior, vă recomand să citiți introducerea pentru o prezentare generală a capacităților sistemului care sunt acum extinse la acest nou strat de senzori.

Sistemul original LoRa IOT Home Environmental Monitoring System a atins obiectivele pe care mi le propusesem când a fost publicat în aprilie 2017. Cu toate acestea, după ce am folosit sistemul de monitorizare timp de câteva luni pentru a monitoriza temperatura și umiditatea pe fiecare etaj al casei, am vrut să adăugați încă 11 senzori în locații deosebit de vulnerabile din casă; inclusiv, șase senzori așezați strategic în subsol, senzori în fiecare baie și un senzor în pod, rufe și bucătărie.

În loc să adaug mai mulți senzori LoRa de la Instructable mai vechi, care sunt oarecum scumpi și alimentați prin adaptoare de curent alternativ, am decis să adaug un strat de senzori cu costuri mai mici, care funcționează pe baterie, folosind transmițătoare RF Link de 434 MHz. Pentru a menține compatibilitatea cu sistemul existent LoRa IOT Home de monitorizare a mediului, am adăugat o punte fără fir pentru a primi pachetele de 434 MHz și a le retransmite ca pachete LoRa la 915 MHz.

Noul strat de senzori constă din următoarele subsisteme:

1. Telecomandă fără fir de 434 MHz - senzori de temperatură și umiditate cu baterie
2. Wireless Bridge - Primește pachete de 434 MHz și le retransmite ca pachete LoRa.

Telecomandele fără fir de 434 MHz utilizează o putere de transmisie mai mică și protocoale mai puțin robuste comparativ cu radiourile LoRa, astfel încât locația Wireless Bridge din casă este aleasă pentru a asigura o comunicare fiabilă cu toate telecomandele fără fir de 434 MHz. Utilizarea Wireless Bridge permite comunicarea cu telecomenzile fără fir de 434 MHz să fie optimizată fără a pune nicio constrângere pe locul unde se află LoRa IOT Gateway.

Telecomandele fără fir de 434 MHz și Wireless Bridge sunt construite folosind module hardware ușor disponibile și câteva componente individuale. Părțile pot fi obținute de la Adafruit, Sparkfun și Digikey; în multe cazuri, piesele Adafruit și Sparkfun sunt disponibile și de la Digikey. Sunt necesare abilități de lipire competente pentru asamblarea hardware-ului, în special cablajul punct-la-punct al telecomenzilor fără fir de 434 MHz. Codul Arduino este bine comentat pentru înțelegere și pentru a permite extinderea ușoară a funcționalității.

Obiectivele acestui proiect au inclus următoarele:

• Găsiți o tehnologie wireless cu costuri mai mici, potrivită pentru mediile casnice.
• Dezvoltați un senzor fără fir alimentat cu baterii capabil să funcționeze timp de câțiva ani pe un set de baterii.
• Nu solicitați nicio modificare a hardware-ului sau software-ului LoRa IOT Gateway de la Instructable-ul meu anterior.

Costul total al pieselor pentru telecomenzile fără fir de 434 MHz, cu excepția bateriilor 3xAA, este de 25 USD, din care senzorul de temperatură și umiditate SHT31-D reprezintă mai mult de jumătate (14 USD).

Ca și în cazul telecomenzilor LoRa de la versiunea anterioară Instructable, telecomenzile fără fir de 434 MHz efectuează citiri de temperatură și umiditate și se raportează la Gateway-ul LoRa IOT, prin Wireless Bridge, la fiecare 10 minute. Cele unsprezece telecomenzi fără fir de 434 MHz au fost puse în funcțiune în decembrie 2017 folosind 3 baterii AA de tip nominal care furnizează 4.5V. Citirile bateriei de la cei unsprezece senzori din decembrie 2017 au variat de la 4,57V la 4,71V, șaisprezece luni mai târziu, în mai 2019, citirile bateriei variază de la 4,36V la 4,55V. Utilizarea pieselor cu o gamă largă de tensiune de funcționare ar trebui să asigure funcționarea senzorilor încă un an sau mai mult, sub rezerva menținerii fiabilității legăturilor RF, deoarece puterea de transmisie este redusă cu tensiuni mai mici ale bateriei.

Fiabilitatea stratului senzorului de 434 MHz a fost excelentă în mediul meu casnic. Noul strat de senzori este amplasat pe 4, 200 mp de spațiu finit și 1, 800 mp de spațiu de subsol nefinisat. Senzorii sunt separați de Wireless Bridge printr-o combinație de 2 - 3 pereți interiori și podea / tavan. Gateway-ul LoRa IOT de la Instructable-ul meu anterior trimite o alertă SMS dacă se pierde comunicarea cu un senzor mai mult de 60 de minute (6 rapoarte ratate de zece minute). Un senzor, aflat pe podea într-un colț la capătul îndepărtat al subsolului din spatele cutiilor stivuite, va provoca din când în când o alertă de contact pierdut, însă, în toate cazurile, comunicarea cu senzorul se restabilește fără nicio intervenție.

Vă mulțumim că ați vizitat acest lucru instructiv și vă rugăm să consultați pașii următori pentru informații suplimentare.

1. Proiectare senzor wireless cu baterie
2. Hardware la distanță fără fir de 434 MHz
3. Software la distanță fără fir de 434 MHz
4. Hardware fără fir Bridge
5. Software Bridge fără fir

Pasul 1: proiectarea senzorului fără fir operat pe baterie

Proiectarea telecomenzii fără fir de 434 MHz folosește următoarele părți:

• Microcontroler AVR ATtiny85 pe 8 biți
• Sensirion SHT31-D - Placă de separare a senzorului de temperatură și umiditate
• Transmițător de legături RF Sparkfun 434 MHz
• Rezistor de 10K Ohm

Una dintre primele decizii de proiectare a fost evitarea dispozitivelor care necesită reglare de 3,3V sau 5V și selectarea pieselor care funcționează pe o gamă largă de tensiune. Acest lucru elimină necesitatea regulatoarelor de tensiune care sunt deșeuri de putere într-un design cu baterie și prelungește durata de funcționare a senzorilor, deoarece acestea vor continua să funcționeze mai mult pe măsură ce tensiunea bateriei scade în timp. Domeniile de tensiune de funcționare pentru piesele alese sunt după cum urmează:

• ATtiny85: 2,7V până la 5,5V
• SHT31-D: 2.4V la 5.5V
• Link RF Tx: 1,5V la 12V

Având în vedere o anumită marjă, telecomandele fără fir de 434 MHz ar trebui să funcționeze funcțional până la o tensiune a bateriei de 3V. După cum sa menționat deja, rămâne de văzut cât de bine se menține fiabilitatea legăturilor RF, deoarece puterea de transmisie este redusă cu tensiuni mai mici ale bateriei.

S-a luat decizia de a utiliza 3 baterii AA pentru a furniza o tensiune nominală de pornire de 4,5V. După 16 luni de funcționare, cea mai mică tensiune a bateriei măsurată este de 4,36V.

ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) este folosit pentru a menține telecomanda fără fir de 434 MHz într-un mod Sleep în majoritatea timpului. ATtiny85 este trezit de WDT la fiecare 8 secunde pentru a crește un contor de 10 minute; la atingerea unui interval de 10 minute, se ia o măsurare și se transmite un pachet de date.

Pentru a reduce la minimum consumul de energie, SHT31-D și RF Link Transmitter sunt alimentate de la un port digital I / O pin pe ATtiny85 configurat ca o ieșire. Puterea se aplică atunci când pinul I / O este acționat la nivel înalt (1) și este eliminat când pinul I / O este acționat la nivel scăzut (0). Prin intermediul software-ului, puterea este aplicată acestor periferice numai la fiecare 10 minute timp de 1-2 secunde în timp ce sunt luate și transmise măsurători. Consultați Software-ul la distanță fără fir de 434 MHz pentru descrierea software-ului aferent.

Singura altă componentă utilizată la telecomanda fără fir de 434 MHz este un rezistor de 10K ohm folosit pentru a trage pinul Reset de pe ATtiny85.

Un design timpuriu folosea un divizor de tensiune rezistiv pe baterie pentru a permite un pin ADC pe ATTINY85 să măsoare tensiunea bateriei. Deși mic, acest divizor de tensiune a încărcat constant bateria. Unele cercetări au arătat un truc care utilizează tensiunea de referință internă de bandă ATtiny85 de 1.1V pentru a măsura Vcc (tensiunea bateriei). Setând tensiunea de referință ADC la Vcc și luând o măsurătoare a tensiunii de referință interne de 1.1V, este posibil să se rezolve Vcc. Tensiunea de referință internă ATtiny85 de 1.1V este constantă atâta timp cât Vcc> 3V. Consultați Software-ul la distanță fără fir de 434 MHz pentru descrierea software-ului aferent.

Comunicarea între ATtiny85 și SHT31-D se face prin magistrala I2C. Placa Adafruit SHT31-D include rezistențe de tracțiune pentru magistrala I2C.

Comunicarea între ATtiny85 și emițătorul de legătură RF se face prin intermediul unui pin digital I / O configurat ca ieșire. Biblioteca de pachete RadioHead Radio RH_ASK este utilizată pentru tastarea On-Off (OOK / ASK) a transmițătorului RF Link prin acest pin digital I / O.

Pasul 2: Hardware la distanță fără fir de 434 MHz

Lista de componente:

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

1 x suport baterie 3 x celule AA, Digikey PN BC3AAW-ND

1 x Adafruit Sensiron SHT31-D Breakout Board, Digikey PN 1528-1540-ND

1 x Sparkfun RF Link Transmitter (434-MHz), Digikey PN 1568-1175-ND

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

1 x soclu DIP cu 8 pini, Digikey PN AE10011-ND

1 x 10K ohm, rezistor 1 / 8W, Digikey PN CF18JT10K0CT-ND

6.75 / 17cm Lungime de 18AWG sârmă de cupru emailat

1 x bandă de spumă pe două fețe

Sârmă de înfășurare de 18 / 45cm

O priză este utilizată pentru ATtiny85 deoarece programarea în circuit nu este acceptată.

Placa de rupere SHT31-D, emițătorul de legătură RF, mufa DIP cu 8 pini și firul antenei sunt lipite pe panou, așa cum se arată în fotografia de mai sus. Îndepărtați smalțul de la 1/4 din firul antenei 18AWG înainte de a lipi pe panou.

Rezistorul de 10K ohm este lipit pe placa între pinii 1 și 8 ai mufei DIP cu 8 pini.

Sârma de înfășurare a sârmei este lipită pe partea din spate a plăcii pentru a face legăturile dintre componente în conformitate cu diagrama schematică a telecomenzii fără fir prezentată în pasul anterior.

Conductorii pozitivi și negativi de la suportul bateriei sunt lipiți pe un set de autobuze "+" și, respectiv, - "-" pe panou.

Telecomanda wireless 434 MHz este testată cu Wireless Bridge și LoRa IOT Gateway. Telecomanda fără fir de 434 MHz va trimite imediat un pachet de fiecare dată când bateriile sunt introduse și la fiecare ~ 10 minute după aceea. La primirea unui pachet wireless din stratul senzorului de 434 MHz, LED-ul verde de pe Wireless Bridge clipește timp de ~ 0,5s. Numele stației, temperatura și umiditatea ar trebui să fie afișate de LoRa IOT Gateway dacă numărul stației de la distanță fără fir de 434 MHz a fost furnizat în gateway.

Odată ce telecomanda fără fir este testată bine cu un ATtiny85 programat, o bucată de bandă de spumă pe două fețe, tăiată la aceeași dimensiune ca placa de panou, este utilizată pentru a atașa panoul de pană completat la suportul bateriei.

Pasul 3: Software la distanță fără fir de 434 MHz

Software-ul 434 MHz Wireless Remote este atașat la acest pas și este bine comentat.

Am programat microcontrolerele ATtiny85 folosind un programator Sparkfun Tiny AVR și Arduino IDE. Sparkfun are un tutorial extins despre cum să configurați drivere, etc. și cum să faceți programatorul să lucreze cu Arduino IDE.

Am adăugat o priză ZIF (Zero Insertion Force) la programatorul Tiny AVR pentru a facilita adăugarea și eliminarea cipurilor din programator.

Pasul 4: Hardware Bridge fără fir

Lista de componente:

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

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

1 x placa de emisie-recepție radio Adafruit RFM9W LoRa (915-MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

1 x receptor Sparkfun RF Link (434 MHz), Digikey PN 1568-1173-ND

1 x soclu DIP cu 8 pini, Digikey PN AE10011-ND

6.75 / 17cm Lungime de 18AWG sârmă de cupru emailat

3.25 / 8.5cm Lungime de 18AWG sârmă de cupru emailat

Sârmă de înfășurare de 24 / 61cm

1 x cablu USB A / MicroB, 3 ft, Adafruit PID 592

1 x sursă de alimentare USB 5V 1A, Adafruit PID 501

Asamblați scutul prototip conform instrucțiunilor de pe Adafruit.com.

Asamblați placa de emisie-recepție LoMa RFM95W conform instrucțiunilor de pe Adafruit.com. Lungimea sârmei de 18AWG de 3,25 "/ 8,5cm este utilizată pentru antenă și este lipită direct pe placa transceptorului după ce a scos 1/4" de smalț din sârmă.

Tăiați cu grijă mufa DIP cu 8 pini în jumătate de lungime pentru a crea două seturi de prize SIP cu 4 pini.

Lipiți cele două prize SIP cu 4 pini pe ecranul de prototipare așa cum se arată. Acestea vor fi utilizate pentru a conecta receptorul RF Link, deci asigurați-vă că sunt în găurile potrivite pentru a se potrivi cu transmițătorul RF Link înainte de lipire.

Lipiți placa transmițătorului RFM9W LoRa pe ecranul de prototipare așa cum se arată.

Următoarele conexiuni sunt realizate între Arduino Uno și placa de emisie-recepție RFM9W utilizând sârmă de înfășurare a firului pe partea superioară a plăcii de prototipare:

RFM9W G0 Arduino Digital I / O Pin 2, biblioteca RadioHead utilizează Interrupt 0 pe acest pin

RFM9W antet ICK Arduino ICSP, pinul 3

Antet RFM9W MISO Arduino ICSP, pinul 1

Antet ICM RFM9W MOSI Arduino, pinul 4

RFM9W CS Arduino Digital I / O Pin 8

RFM9W RST Arduino Digital I / O Pin 9

Următoarele conexiuni sunt realizate în partea de jos a plăcii de prototipare:

Placă de prototip VIN RFM9W autobuz 5V

RFM9W GND Prototipare placa de masă (GND) autobuz

RF Link Rx Pin 1 (GND) magistrală de masă a plăcii de prototipare (GND)

RF Link Rx Pin 2 (Data Out) Arduino Digital I / O Pin 6

Placă de prototip RF Link Rx Pin 2 (Vcc) 5V autobuz

Proto Board Green LED Arduino Digital I / O Pin 7

Informațiile pin pentru receptorul de legătură RF sunt disponibile la www.sparkfun.com.

Îndepărtați smalțul de la 1/4 'din lungimea sârmei de 18AWG de 6,75 și introduceți-l în orificiul plăcii de prototipare imediat adiacent pinului RF Link Rx 8 (antenă). Odată introdus în orificiu, îndoiți capătul dezbrăcat astfel încât să facă contactați cu RF Link Rx Pin 8 și lipiți-l în loc.

Programați Arduino Uno cu schița furnizată în pasul următor. La resetare sau pornire, LED-ul verde va clipi de două ori timp de 0,5 secunde. La primirea unui pachet wireless din stratul senzorului de 434 MHz, LED-ul verde clipește timp de ~ 0,5s.

Pasul 5: Software Bridge fără fir

Software-ul Wireless Bridge este atașat la acest pas și este bine comentat.