Kompaktný snímač počasia s dátovým prepojením GPRS (SIM karta): 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Zhrnutie projektu

Jedná sa o batériový snímač počasia založený na senzore teploty/tlaku/vlhkosti BME280 a MCU ATMega328P. Funguje na dve 3,6 V lítium -thionylové batérie AA. Má extrémne nízku spotrebu spánku 6 µA. Údaje odosiela polhodinu cez GPRS (pomocou GSM modulu SIM800L) do ThingSpeak, ovládaného hodinami reálneho času DS3231. Odhadovaná služba na jednu sadu batérií je> 6 mesiacov.

Používam SIM kartu ASDA pay-as-you-go, ktorá ponúka mimoriadne dobré podmienky na účely tohto projektu, pretože má veľmi dlhú dobu platnosti kreditu (180 dní) a účtuje iba objem dát 5 p/MB.

Motivácia: Vývoj ekonomického, bezúdržbového, autonómneho, batériou napájaného environmentálneho senzora, ktorý je možné umiestniť vo voľnej prírode na získavanie údajov o počasí alebo iných údajoch a prenos prostredníctvom siete GSM/GPRS na server IoT.

Fyzické rozmery: 109 x 55 x 39 mm (vrátane prírubových puzdier). Hmotnosť 133 g. Hodnotenie IP 54 (odhad).

Cena materiálu: cca. 20 libier za kus.

Čas montáže: 2 hodiny na jednotku (ručné spájkovanie)

Zdroj energie: dve lítium-thionylové batérie AA, nenabíjateľné (3,6 V, 2,6 Ah).

Sieťový protokol: GSM GPRS (2G)

Možné použitie: Akékoľvek vzdialené miesto s pokrytím signálom GSM. Lesy, majáky, bóje, súkromné jachty, karavany, kempingy, horské chaty, neobývané budovy

Test spoľahlivosti: Jedna jednotka prechádza od 30.8.20 dlhodobým testovaním bez dozoru. Okrem jedného zlyhania softvéru spoľahlivo odosiela údaje každých 30 minút.

Krok 1: Potrebné diely

• PCB na mieru. Tu sú súbory Gerber skomprimované (zdá sa, že instructables.com blokuje odosielanie súborov ZIP). Dôrazne odporúčam jlcpcb.com na výrobu DPS. Pre ľudí žijúcich v Británii vám rád pošlem náhradnú dosku plošných spojov za minimálny príspevok k materiálnym a poštovným - pošlite mi správu.
• ATMega328P-AU
• Upravené hodiny v reálnom čase DS3231 (pozri odsek nižšie)
• Breakout doska BME280, ako je táto
• Modul GSM GPRS SIM800L
• Rôzne diely SMD podľa podrobného zoznamu.
• Hammond 1591, čierny kryt ABS, IP54, prírubový, 85 x 56 x 35 mm, od spoločnosti RS Components UK

Úprava DS3231

Štvornásobnú sieť odporov zakrúžkovanú červenou je potrebné odspájkovať. V poriadku sú aj ďalšie deštruktívnejšie metódy, vyhnite sa však premosťovaniu podložiek vo vnútornom rade 4 podložiek (smerom k boku MCU). Ostatné 4 podložky sú aj tak spojené stopami DPS. Táto modifikácia je potrebná, aby pin SQW mohol fungovať ako alarm. Bez odstránenia odporov to nebude fungovať, kým k modulu nepripojíte napájanie VCC, čo porazí účel mať RTC s veľmi nízkym výkonom.

Krok 2: Schematické zásady

Hlavnými prioritami návrhu boli:

• Prevádzka na batériu s nízkou spotrebou prúdu v spánku
• Kompaktný dizajn

Zdroj

Dve 3,6 V lítiové thionylové batérie AA typu AA. P-kanálový MOSFET na ochranu proti prepólovaniu.

V obvode sú dva regulátory napätia:

• 2A zosilňovač Texas Instruments TPS562208 s zosilňovačom na napájanie karty SIM800L približne na 4,1 V. Toto je prepínateľné z ATMega a väčšinou sa prepína do vypínacieho režimu pomocou povoľovacieho kolíka 5.
• Regulátor MCP1700 3,3 V pre ATMega a BME280. Jedná sa o mimoriadne účinný regulátor s nízkym poklesom s pokojovým prúdom iba okolo 1 µA. Pretože je tolerantný iba do 6V vstupu, pridal som do série dve usmerňovacie diódy (D1, D2), aby sa napájanie 7,2V znížilo na prijateľnú úroveň okolo 6V. Zabudol som pridať obvyklý 10 µF oddeľovací kondenzátor na DPS pre napájanie na ATMega. Preto som upgradoval obvyklý výstupný kondenzátor na MCP1700 z 1 na 10 µF a funguje to dobre.
• Monitorovanie napätia batérie cez ADC0 na ATMega (cez delič napätia)

Hodiny reálneho času

Upravený DS3231, ktorý v určených intervaloch prebúdza ATMega, aby spustil cyklus merania a prenosu údajov. Samotný DS3231 je napájaný lítiovým článkom CR2032.

BME280

Pokúsil som sa použiť pôvodný modul Bosch BME280 samostatne, ktorý je vzhľadom na jeho malú veľkosť takmer nemožné spájkovať. Preto používam široko dostupnú oddeľovaciu dosku. Pretože toto má nepotrebný regulátor napätia, ktorý spotrebúva energiu, tesne pred meraním ho zapnem N-kanálovým MOSFETom.

SIM800L

Tento modul je spoľahlivý, ale zdá sa byť dosť temperamentný, ak napájací zdroj nie je pevný. Zistil som, že najlepšie funguje napájacie napätie 4,1 V. Urobil som stopy PCB pre VCC a GND na SIM800L extra hrubej (20 mil).

Schématické/PCB komentáre

• Sieťový štítok „1“- v zozname súčiastok uvedený ako „SINGLEPIN“jednoducho odkazuje na kolíkový konektor.
• Dva kolíky susediace s posuvným spínačom musia byť pre normálnu prevádzku premostené prepojkou, inak je tu linka VCC otvorená. V prípade potreby sú určené na meranie prúdu.
• Kondenzátor 100 µF (C12) pre modul SIM800L nie je potrebný. Bol pridaný ako preventívne (zúfalé) opatrenie v prípade očakávaných problémov so stabilitou

Odporúčané kroky montáže

1. Zostavte všetky komponenty napájacieho zdroja v spodnej spodnej časti dosky plošných spojov. Povolovací kolík (kolík 5) TPS562208 musí byť pri testovaní na logickej úrovni, inak je modul v režime vypnutia a budete mať výstup 0V. Na vytiahnutie kolíka Enable na testovanie je možné k bodu VCC pripojiť dočasný vodič z podložky 9 ATMega (ktorá je na doske plošných spojov prepojená s PIN 5 regulátora napätia); najbližší bod by bol k dolnému kolíku R3, ktorý leží na čiare VCC.
2. Testujte výstup z TPS562208 medzi spodnými kolíkmi buď C2, C3 alebo C4 a GND. Mali by ste mať okolo 4,1 V.
3. Testujte výstup z MCP1700 medzi pravým horným kolíkom U6 a GND. Mali by ste mať 3,3 V.
4. Spájkovačka ATMega328P; pozorujte značku kolíka 1 v ľavom hornom rohu. Potrebná je určitá prax, ale nie príliš náročná.
5. Napaľujte bootloader na ATMega328 - návody na to inde. Na pripojenie k MOSI, MISO, SCK a RST nemusíte nutne používať hlavičky pinov. Na pár sekúnd na vypálenie bootloadera môžete použiť káble Dupont a trocha uhlovania, aby ste dosiahli dobrý kontakt.
6. Pripojte 5x zásuvku s kolíkom pre DS3231.
7. Spájkujte SIM800L cez kolíkové zástrčky
8. Spájkovačka BME280
9. Nahrajte kód do Arduino IDE pomocou adaptéra USB2TTL (ako cieľ vyberte Arduino Uno/Genuino).

Krok 3: Arduino kód

Pozrite si zdrojový kód Arduino v prílohe.

Krok 4: Test v reálnom svete

Vyvŕtal som dve malé diery na pravej strane puzdra len hlboko na prednú stranu. Zvnútra som ich zakryl záplatami Goretex, ktoré umožnili výmenu vzduchu, ale vylúčili vodu. Pridal som dodatočnú ochranu pred dažďom s malými plastovými strechami. Potom vložím celú zostavu do puzdra tak, aby komponenty smerovali dopredu a batéria smerovala k veku. Do puzdra pridám trochu kremíkového tuku, aby sa zvýšila ochrana pred vniknutím vody.

Jednotka je v súčasnosti „inštalovaná“vedľa riečky. Tu je živý informačný kanál.