Nová vrstva bezdrôtového snímača IOT pre domáci monitorovací systém životného prostredia: 5 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

Tento návod popisuje lacnejšiu bezdrôtovú senzorovú vrstvu IOT napájanú batériami pre môj predchádzajúci systém Instructable: LoRa IOT Home Environmental Monitoring System. Ak ste si predtým nevideli tento návod, odporúčam vám prečítať si úvod, kde nájdete prehľad možností systému, ktoré sú teraz rozšírené o túto novú vrstvu senzorov.

Pôvodný domáci monitorovací systém životného prostredia LoRa IOT dosiahol ciele, ktoré som stanovil pri jeho uverejnení v apríli 2017. Po niekoľko mesačnom používaní monitorovacieho systému na monitorovanie teploty a vlhkosti na každom poschodí domu som však chcel pridajte 11 ďalších senzorov na obzvlášť zraniteľné miesta v dome; vrátane šiestich senzorov strategicky umiestnených v suteréne, senzorov v každej kúpeľni a senzora v podkroví, práčovni a kuchyni.

Namiesto toho, aby som pridal ďalšie senzory založené na LoRa z predchádzajúceho Instructable, ktoré sú o niečo drahšie a napájané pomocou sieťových adaptérov, som sa rozhodol pridať vrstvu lacnejších senzorov napájaných z batérie pomocou vysielačov RF Link 434 MHz. Aby bola zachovaná kompatibilita s existujúcim domácim systémom monitorovania životného prostredia LoRa IOT, pridal som bezdrôtový most na príjem paketov s frekvenciou 434 MHz a ich opätovné odosielanie ako pakety LoRa na frekvencii 915 MHz.

Nová vrstva senzorov pozostáva z nasledujúcich subsystémov:

1. Bezdrôtové diaľkové ovládače 434 MHz - snímače teploty a vlhkosti napájané batériami
2. Wireless Bridge - Prijíma pakety 434 MHz a znova ich prenáša ako pakety LoRa.

Bezdrôtové diaľkové ovládače 434 MHz používajú nižší vysielací výkon a menej robustné protokoly v porovnaní s vysielačkami LoRa, takže umiestnenie Wireless Bridge v dome je zvolené tak, aby zaisťovalo spoľahlivú komunikáciu so všetkými 434 MHz bezdrôtovými diaľkovými ovládačmi. Použitie Wireless Bridge umožňuje optimalizáciu komunikácie s 434-MHz bezdrôtovými diaľkovými ovládačmi bez obmedzenia na mieste, kde sa nachádza brána LoRa IOT.

Bezdrôtové diaľkové ovládače 434 MHz a bezdrôtový most sú vyrobené z ľahko dostupných hardvérových modulov a niekoľkých samostatných komponentov. Diely je možné získať od spoločností Adafruit, Sparkfun a Digikey; v mnohých prípadoch sú diely Adafruit a Sparkfun dostupné aj od spoločnosti Digikey. Na zostavenie hardvéru sú potrebné kompetentné spájkovacie schopnosti, najmä zapojenia bod-bod bezdrôtových diaľkových ovládačov 434 MHz. Kód Arduino je dobre okomentovaný kvôli porozumeniu a umožneniu jednoduchého rozšírenia funkčnosti.

Ciele tohto projektu zahŕňali nasledujúce:

• Nájdite lacnejšiu bezdrôtovú technológiu vhodnú pre domáce prostredie.
• Vyvinúť bezdrôtový senzor napájaný batériami, ktorý bude fungovať niekoľko rokov na jednu sadu batérií.
• Nevyžadujte žiadne úpravy hardvéru alebo softvéru brány LoRa IOT podľa môjho predchádzajúceho pokynu.

Celkové náklady na súčiastky pre bezdrôtové diaľkové ovládače 434 MHz, bez batérií 3xAA, sú 25 dolárov, z toho snímač teploty a vlhkosti SHT31-D predstavuje viac ako polovicu (14 dolárov).

Rovnako ako u diaľkových ovládačov LoRa z môjho predchádzajúceho Instructable, 434 MHz bezdrôtové diaľkové ovládače odčítavajú hodnoty teploty a vlhkosti a každých 10 minút sa hlásia do brány LoRa IOT Gateway prostredníctvom bezdrôtového mosta. Jedenásť 434 MHz bezdrôtových diaľkových ovládačov bolo uvedených do prevádzky v decembri 2017 pomocou 3 x batérií AA, ktoré nominálne poskytujú napätie 4,5 V. Údaje o batérii z jedenástich senzorov v decembri 2017 sa pohybovali v rozmedzí od 4,57 V do 4,71 V, o šestnásť mesiacov neskôr v máji 2019 sa hodnoty batérií pohybovali od 4,36 V do 4,55 V. Použitie dielov so širokým rozsahom prevádzkového napätia by malo zaistiť prevádzku snímačov na ďalší rok alebo viac za predpokladu zachovania spoľahlivosti vysokofrekvenčného spojenia, pretože vysielací výkon sa znižuje s nižším napätím batérie.

Spoľahlivosť vrstvy snímača 434 MHz bola v mojom domácom prostredí vynikajúca. Nová vrstva senzorov je rozložená na 4 200 SqFt hotového priestoru a 1 800 SqFt nedokončeného suterénneho priestoru. Senzory sú od bezdrôtového mosta oddelené kombináciou 2 - 3 vnútorných stien a podlahy/stropov. Brána LoRa IOT z môjho predchádzajúceho Instructable odosiela upozornenie SMS, ak dôjde k strate komunikácie so senzorom viac ako 60 minút (6 zmeškaných desaťminútových správ). Jeden senzor, na podlahe v rohu na vzdialenom konci suterénu za naskladanými krabicami, každú chvíľu spôsobí upozornenie na stratený kontakt, vo všetkých prípadoch sa však komunikácia so senzorom obnoví bez akéhokoľvek zásahu.

Ďakujeme vám za návštevu tohto pokynu a ďalšie informácie nájdete v nasledujúcich krokoch.

1. Batériový dizajn bezdrôtového senzora
2. Bezdrôtový diaľkový hardvér 434 MHz
3. Bezdrôtový diaľkový softvér 434 MHz
4. Hardvér bezdrôtového mosta
5. Softvér Wireless Bridge

Krok 1: Konštrukcia bezdrôtového senzora napájaného batériami

Konštrukcia bezdrôtového diaľkového ovládača 434 MHz používa nasledujúce diely:

• 8-bitový mikrokontrolér AVR ATtiny85
• Sensirion SHT31 -D - Doska na snímanie teploty a vlhkosti
• Sparkfun 434-MHz RF odkazový vysielač
• Rezistor 10K Ohm

Jedným z prvých návrhových rozhodnutí bolo vyhnúť sa zariadeniam, ktoré vyžadujú regulované napätie 3,3 V alebo 5 V, a vybrať diely, ktoré pracujú v širokom rozsahu napätia. Tým sa eliminuje potreba regulátorov napätia, ktoré sú energeticky náročné, v batériovom prevedení, a predlžuje sa životnosť senzorov, pretože budú naďalej fungovať dlhšie, pretože napätie batérie časom klesá. Rozsahy prevádzkového napätia pre zvolené diely sú nasledujúce:

• ATtiny85: 2,7 V až 5,5 V.
• SHT31-D: 2,4 V až 5,5 V
• RF Link Tx: 1,5 V až 12V

Bez ohľadu na určitú rezervu by mali bezdrôtové diaľkové ovládače 434 MHz funkčne fungovať až do napätia batérie 3V. Ako už bolo uvedené, zostáva len vidieť, ako dobre je zachovaná spoľahlivosť vysokofrekvenčného spojenia, pretože vysielací výkon sa znižuje s nižším napätím batérie.

Bolo rozhodnuté použiť 3 x AA batérie na zaistenie menovitého štartovacieho napätia 4,5 V. Po 16 mesiacoch prevádzky je najnižšie namerané napätie batérie 4,36V.

Watcht Timer ATtiny85 (WDT) slúži na udržanie 434-MHz bezdrôtového diaľkového ovládača väčšinu času v režime spánku. ATtiny85 je prebúdzaný WDT každých 8 sekúnd, aby sa zvýšilo 10 -minútové počítadlo; po dosiahnutí 10 -minútového intervalu sa vykoná meranie a prenesie sa dátový paket.

Aby sa ešte viac minimalizovala spotreba energie, vysielač SHT31-D a RF Link sú napájané z kolíka digitálneho I/O portu na ATtiny85 nakonfigurovaného ako výstup. Napájanie sa aplikuje, keď je I/O kolík poháňaný vysoko (1), a je odpojené, keď je I/O pin poháňaný Nízko (0). Prostredníctvom softvéru sa na tieto periférne zariadenia napája iba každých 10 minút počas 1 až 2 sekúnd, pričom sa vykonávajú a prenášajú merania. Popis súvisiaceho softvéru nájdete v softvéri Bezdrôtový diaľkový ovládač 434 MHz.

Jediným ďalším komponentom použitým v bezdrôtovom diaľkovom ovládači 434 MHz je odpor 10 K ohmov, ktorý sa používa na vytiahnutie resetovacieho kolíka na ATtiny85.

Starý dizajn používal odporový delič napätia naprieč batériou, aby umožnil kolíku ADC na ATTINY85 merať napätie batérie. Aj keď je tento delič napätia malý, zaťažoval batériu konštantným zaťažením. Niektoré výskumy objavili trik, ktorý používa na meranie Vcc (napätie batérie) interné referenčné napätie medzery v pásme ATtiny85 s napätím 1,1 V. Nastavením referenčného napätia ADC na Vcc a meraním interného referenčného napätia 1,1 V je možné vyriešiť problém s Vcc. Interné referenčné napätie 1,1 V ATtiny85 je konštantné, pokiaľ Vcc> 3V. Popis súvisiaceho softvéru nájdete v softvéri Bezdrôtový diaľkový ovládač 434 MHz.

Komunikácia medzi ATtiny85 a SHT31-D prebieha po zbernici I2C. Rozbíjacia doska Adafruit SHT31-D obsahuje výsuvné odpory pre zbernicu I2C.

Komunikácia medzi ATtiny85 a vysielačom RF Link prebieha prostredníctvom digitálneho I/O kolíka nakonfigurovaného ako výstup. Rádiová knižnica paketov RadioHead RH_ASK sa používa na zapnutie / vypnutie kľúča (OOK / ASK) vysielača RF Link prostredníctvom tohto digitálneho I / O kolíka.

Krok 2: Bezdrôtový diaľkový hardvér 434 MHz

Zoznam položiek:

1 x Doska na chlieb Adafruit 1/4, Digikey PN 1528-1101-ND

1 x držiak batérie 3 x články AA, Digikey PN BC3AAW-ND

1 x Oddeľovacia doska Adafruit Sensiron SHT31-D, Digikey PN 1528-1540-ND

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

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

1 x 8-kolíková zásuvka DIP, Digikey PN AE10011-ND

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

17 cm, smaltovaný medený drôt 18AWG

1 x obojstranná penová páska

Ovíjací drôt 18 / 45 cm

Pre ATtiny85 je použitá zásuvka, pretože programovanie v obvode nie je podporované.

Rozbíjacia doska SHT31-D, vysielač RF Link, 8-kolíkový konektor DIP a anténny drôt sú spájkované na doske, ako je znázornené na fotografii vyššie. Pred spájkovaním na nepájivú dosku odstráňte smalt z 1/4 anténneho drôtu 18AWG.

Rezistor 10K ohm je spájkovaný na doske medzi kolíky 1 a 8 8-kolíkovej zásuvky DIP.

Drôt na balenie drôtu je spájkovaný na zadnej strane nepájivej dosky, aby sa vytvorili prepojenia medzi komponentmi v súlade so schematickým diagramom bezdrôtového diaľkového ovládača uvedeným v predchádzajúcom kroku.

Kladné a záporné vodiče z držiaka batérie sú spájkované na jednu sadu autobusov „+“a „-“na príslušnom paneli.

Bezdrôtový diaľkový ovládač 434 MHz je testovaný s bezdrôtovým mostom a bránou LoRa IOT. Bezdrôtový diaľkový ovládač 434 MHz okamžite odošle paket pri každom vložení batérií a potom každých ~ 10 minút. Po prijatí bezdrôtového paketu z vrstvy snímača 434 MHz zelená LED dióda na zariadení Wireless Bridge bliká ~ 0,5 s. Názov brány, teplota a vlhkosť by mala brána LoRa IOT Gateway zobrazovať, ak bolo v bráne zriadené číslo 434-MHz bezdrôtového diaľkového ovládača.

Akonáhle je bezdrôtový diaľkový ovládač otestovaný v poriadku s naprogramovaným ATtiny85, kus obojstrannej penovej pásky, nastrihaný na rovnakú veľkosť ako nepájivá doska, sa použije na pripevnenie dokončenej doštičky k držiaku batérie.

Krok 3: Bezdrôtový diaľkový softvér 434 MHz

K tomuto kroku je priložený softvér 434-MHz Wireless Remote a je dobre komentovaný.

Mikrokontroléry ATtiny85 som naprogramoval pomocou programátora Sparkfun Tiny AVR a Arduino IDE. Sparkfun má rozsiahly návod, ako nastaviť ovládače a podobne a ako prinútiť programátora pracovať s Arduino IDE.

K programátoru Tiny AVR som pridal zásuvku ZIF (Zero Insertion Force), aby bolo jednoduché pridávať a vyberať čipy z programátora.

Krok 4: Hardvér Wireless Bridge

Zoznam položiek:

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 Adafruit RFM9W LoRa Radio Transceiver Board (915-MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

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

1 x 8-kolíková zásuvka DIP, Digikey PN AE10011-ND

17 cm, smaltovaný medený drôt 18AWG, 6,75 palcov / 17 cm

3,25 palca / 8,5 cm dĺžka 18AWG smaltovaného medeného drôtu

Ovíjací drôt 24 / 61 cm

1 x kábel USB A / MicroB, 3 stopy, Adafruit PID 592

1 x 5V 1A napájací port USB, Adafruit PID 501

Zostavte prototypový štít podľa pokynov na serveri Adafruit.com.

Zostavte dosku transceivera RFM95W LoRa podľa pokynov na Adafruit.com. Na anténu sa používa drôt 18AWG s dĺžkou 3,25 palca / 8,5 cm a je spájkovaný priamo na dosku transceiveru po odstránení 1/4 smaltu z drôtu.

8-kolíkovú zásuvku DIP opatrne rozrežte na polovicu dĺžky a vytvorte dve sady 4-kolíkových zásuviek SIP.

Pripojte dve 4-kolíkové zásuvky SIP k prototypovému štítu podľa obrázku. Tieto budú použité na zapojenie prijímača RF Link, preto sa pred spájkovaním uistite, že sú v správnych otvoroch, aby zodpovedali vysielaču RF Link.

Pripájajte dosku transceivera RFM9W LoRa k prototypovému štítu, ako je to znázornené.

Nasledujúce spojenia sa uskutočňujú medzi Arduino Uno a doskou transceiveru RFM9W pomocou drôtu ovíjajúceho drôt na hornej strane prototypovacej dosky:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, knižnica RadioHead používa na tomto pine prerušenie 0

RFM9W SCK Arduino ICSP hlavička, pin 3

Hlavička ICSP RFM9W MISO Arduino, pin 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP hlavička, pin 4

Digitálny I/O pin RFM9W CS Arduino 8

Digitálny I/O pin RFM9W RST Arduino 9

Na spodnej strane prototypovej dosky sú vytvorené nasledujúce pripojenia:

RFM9W VIN Prototypová doska 5V zbernice

RFM9W GND zbernica uzemňovacej dosky prototypu (GND)

Zbernica RF Link Rx Pin 1 (GND) uzemňovacej zbernice prototypovej dosky (GND)

RF Link Rx Pin 2 (dátový výstup) Arduino Digital I/O Pin 6

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Prototypová doska 5V zbernice

Proto Board Zelená LED dióda Arduino Digital I/O Pin 7

Informácie o pinoch pre prijímač RF odkazov sú dostupné na www.sparkfun.com.

Odizolujte smalt z 1/4 '6,75 dĺžky 18AWG drôtu a vložte ho do otvoru pre prototypovú dosku bezprostredne susediaceho s kolíkom RF Link Rx Pin 8 (anténa). Po vložení do otvoru ohnite odizolovaný koniec tak, aby spojte s RF Link Rx Pin 8 a spájkujte ho na mieste.

Naprogramujte Arduino Uno pomocou náčrtu poskytnutého v nasledujúcom kroku. Po resetovaní alebo zapnutí začne zelená LED dvakrát blikať 0,5 s. Po prijatí bezdrôtového paketu z vrstvy snímača 434 MHz zelená LED dióda bliká približne 0,5 s.

Krok 5: Softvér Wireless Bridge

K tomuto kroku je priložený softvér Wireless Bridge a je dobre okomentovaný.