Jauns bezvadu IOT sensora slānis mājas vides uzraudzības sistēmai: 5 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:56

Šajā pamācībā ir aprakstīts zemākas izmaksas ar akumulatoru darbināms bezvadu IOT sensora slānis manai iepriekšējai Instructable: LoRa IOT mājas vides uzraudzības sistēmai. Ja vēl neesat skatījis šo iepriekšējo Instructable, iesaku iepazīties ar ievadu, lai apskatītu sistēmas iespējas, kas tagad ir paplašinātas līdz šim jaunajam sensora slānim.

Sākotnējā LoRa IOT mājas vides monitoringa sistēma sasniedza mērķus, kurus es biju izvirzījusi, kad tā tika publicēta 2017. gada aprīlī. Tomēr pēc tam, kad vairākus mēnešus izmantoju monitoringa sistēmu, lai uzraudzītu temperatūru un mitrumu katrā mājas stāvā, es vēlējos pievienot vēl 11 sensorus īpaši neaizsargātās mājas vietās; tai skaitā seši sensori, kas stratēģiski izvietoti pagrabā, sensori katrā vannas istabā un sensors bēniņos, veļas mazgātavā un virtuvē.

Tā vietā, lai pievienotu vairāk LoRa balstītu sensoru no iepriekšējā Instructable, kas ir nedaudz dārgi un tiek darbināti, izmantojot maiņstrāvas adapterus, es nolēmu pievienot slāni ar zemākām izmaksām, ar baterijām darbināmus sensorus, izmantojot 434 MHz RF saites raidītājus. Lai saglabātu savietojamību ar esošo LoRa IOT mājas vides monitoringa sistēmu, es pievienoju bezvadu tiltu, lai saņemtu 434 MHz paketes un retranslētu tās kā LoRa paketes 915 MHz frekvencē.

Jauno sensoru slāni veido šādas apakšsistēmas:

1. 434 MHz bezvadu tālvadības pults - ar akumulatoru darbināmi temperatūras un mitruma sensori
2. Bezvadu tilts - saņem 434 MHz paketes un atkārtoti nosūta tās kā LoRa paketes.

434 MHz bezvadu tālvadības pulti izmanto zemāku pārraides jaudu un mazāk izturīgus protokolus salīdzinājumā ar LoRa radio, tāpēc bezvadu tilta atrašanās vieta mājā ir izvēlēta, lai nodrošinātu uzticamu saziņu ar visiem 434 MHz bezvadu tālvadības pulti. Bezvadu tilta izmantošana ļauj optimizēt saziņu ar 434 MHz bezvadu tālvadības pulti, neierobežojot LoRa IOT vārtejas atrašanās vietu.

434 MHz bezvadu tālvadības pultis un bezvadu tilts ir veidoti, izmantojot viegli pieejamus aparatūras moduļus un dažus atsevišķus komponentus. Daļas var iegūt no Adafruit, Sparkfun un Digikey; daudzos gadījumos Adafruit un Sparkfun detaļas ir pieejamas arī no Digikey. Lai saliktu aparatūru, jo īpaši 434 MHz bezvadu tālvadības pults-punkta vadu, ir nepieciešamas kompetentas lodēšanas prasmes. Arduino kods ir labi komentēts, lai saprastu un atvieglotu funkcionalitāti.

Šī projekta mērķi bija šādi:

• Atrodiet lētāku bezvadu tehnoloģiju, kas piemērota mājsaimniecības vidēm.
• Izstrādājiet ar akumulatoru darbināmu bezvadu sensoru, kas spēj darboties vairākus gadus ar vienu bateriju komplektu.
• Manā iepriekšējā Instructable nepieprasa nekādas izmaiņas LoRa IOT Gateway aparatūrā vai programmatūrā.

Kopējās detaļu izmaksas 434 MHz bezvadu tālvadības pultīm, izņemot 3xAA baterijas, ir 25 ASV dolāri, no kuriem SHT31-D temperatūras un mitruma sensors veido vairāk nekā pusi (14 ASV dolāri).

Tāpat kā ar LoRa tālvadības pultīm no mana iepriekšējā Instructable, 434 MHz bezvadu tālvadības pultis mēra temperatūru un mitrumu un ik pēc 10 minūtēm ziņo LoRa IOT vārtejai, izmantojot bezvadu tiltu. Vienpadsmit 434 MHz bezvadu tālvadības pults tika nodotas ekspluatācijā 2017. gada decembrī, izmantojot 3 x AA baterijas, kas nomināli nodrošina 4,5 V. Akumulatora rādījumi no vienpadsmit sensoriem 2017. gada decembrī svārstījās no 4,57 V līdz 4,71 V. Izmantojot detaļas ar plašu darba sprieguma diapazonu, jānodrošina sensoru darbība vēl vienu gadu vai ilgāk, ievērojot RF saites uzticamību, jo pārraides jauda samazinās, samazinoties akumulatora spriegumam.

434 MHz sensoru slāņa uzticamība manā mājsaimniecības vidē ir bijusi lieliska. Jaunais sensoru slānis ir izvietots 4 200 kvadrātmetros gatavās telpas un 1 800 kvadrātmetros nepabeigtajā pagraba telpā. Sensorus no bezvadu tilta atdala 2 - 3 iekšējās sienas un grīda/griesti. LoRa IOT vārteja no mana iepriekšējā Instructable nosūta SMS brīdinājumu, ja saziņa tiek pārtraukta ar sensoru ilgāk par 60 minūtēm (6 nokavēti desmit minūšu ziņojumi). Viens sensors, kas atrodas uz grīdas stūrī pagraba tālākajā galā aiz sakrautām kastēm, šad un tad radīs brīdinājumu par kontakta zudumu, tomēr visos gadījumos saziņa ar sensoru tiek atjaunota bez jebkādas iejaukšanās.

Paldies, ka apmeklējāt šo pamācību, un, lai iegūtu papildinformāciju, lūdzu, skatiet tālāk norādītās darbības.

1. Ar baterijām darbināms bezvadu sensora dizains
2. 434 MHz bezvadu tālvadības aparatūra
3. 434 MHz bezvadu tālvadības programmatūra
4. Bezvadu tilta aparatūra
5. Bezvadu tilta programmatūra

1. darbība. Ar akumulatoru darbināms bezvadu sensora dizains

434 MHz bezvadu tālvadības pults dizainā tiek izmantotas šādas daļas:

• ATtiny85 8 bitu AVR mikrokontrolleris
• Sensirion SHT31 -D - temperatūras un mitruma sensora sadalīšanas panelis
• Sparkfun 434 MHz RF saites raidītājs
• 10K omu rezistors

Viens no agrīnajiem dizaina lēmumiem bija izvairīties no ierīcēm, kurām nepieciešams regulēts 3.3V vai 5V, un izvēlēties detaļas, kas darbojas plašā sprieguma diapazonā. Tas novērš vajadzību pēc sprieguma regulatoriem, kas ir strāvas izšķērdētāji ar akumulatoru darbināmā konstrukcijā, un pagarina sensoru darbības laiku, jo tie turpinās darboties ilgāk, jo laika gaitā samazinās akumulatora spriegums. Izvēlēto daļu darba sprieguma diapazoni ir šādi:

• ATtiny85: no 2,7 V līdz 5,5 V.
• SHT31-D: no 2,4 V līdz 5,5 V.
• RF saite Tx: no 1,5V līdz 12V

Pieļaujot nelielu rezervi, 434 MHz bezvadu tālvadības pultij funkcionāli vajadzētu darboties līdz 3 V akumulatora spriegumam. Kā jau minēts, atliek tikai redzēt, cik labi tiek saglabāta RF saišu uzticamība, jo pārraides jauda samazinās, samazinoties akumulatora spriegumam.

Tika pieņemts lēmums izmantot 3 x AA baterijas, lai nodrošinātu 4,5 V nominālo sākuma spriegumu. Pēc 16 mēnešu darbības zemākais izmērītais akumulatora spriegums ir 4,36 V.

ATtiny85 sargsuņa taimeris (WDT) tiek izmantots, lai lielāko daļu laika 434 MHz bezvadu tālvadības pulti saglabātu miega režīmā. WDT modina ATtiny85 ik pēc 8 sekundēm, lai palielinātu 10 minūšu skaitītāju; sasniedzot 10 minūšu intervālu, tiek veikts mērījums un pārsūtīta datu pakete.

Lai vēl vairāk samazinātu enerģijas patēriņu, SHT31-D un RF saites raidītājs tiek darbināti no digitālā I/O porta tapas ATtiny85, kas konfigurēts kā izeja. Jauda tiek ieslēgta, kad I/O tapa ir virzīta uz augšu (1), un tiek noņemta, kad I/O tapa ir zema (0). Izmantojot programmatūru, šīs perifērijas ierīces tiek piegādātas tikai ik pēc 10 minūtēm 1 - 2 sekundes, kamēr tiek veikti mērījumi un tie tiek pārraidīti. Saistītās programmatūras aprakstu skatiet 434 MHz bezvadu tālvadības programmatūrā.

Vienīgais cits komponents, ko izmanto 434 MHz bezvadu tālvadības pultī, ir 10K omu rezistors, ko izmanto, lai uzvilktu ATtiny85 atiestatīšanas tapu.

Agrīnā konstrukcijā visā akumulatorā tika izmantots pretestības sprieguma dalītājs, lai ATTINY85 varētu izmantot ADC tapu, lai izmērītu akumulatora spriegumu. Lai gan šis sprieguma dalītājs ir mazs, tas akumulatoram uzlika pastāvīgu slodzi. Daži pētījumi atklāja triku, kas izmanto ATtiny85 iekšējo 1,1 V joslas spraugas atskaites spriegumu, lai izmērītu Vcc (akumulatora spriegumu). Iestatot ADC atskaites spriegumu uz Vcc un izmērot iekšējo 1,1 V atskaites spriegumu, ir iespējams atrisināt Vcc. ATtiny85 iekšējais 1,1 V atskaites spriegums ir nemainīgs, kamēr Vcc> 3V. Saistītās programmatūras aprakstu skatiet 434 MHz bezvadu tālvadības programmatūrā.

Saziņa starp ATtiny85 un SHT31-D notiek, izmantojot I2C kopni. Adafruit SHT31-D sadalīšanas panelī ir ievilkšanas rezistori I2C kopnei.

Saziņa starp ATtiny85 un RF saites raidītāju notiek, izmantojot digitālo I/O tapu, kas konfigurēta kā izeja. RadioHead pakešu radio bibliotēka RH_ASK tiek izmantota RF saites raidītāja ieslēgšanas-izslēgšanas taustiņam (OOK / ASK), izmantojot šo digitālo I / O tapu.

2. darbība: 434 MHz bezvadu tālvadības aparatūra

Detaļu saraksts:

1 x Adafruit 1/4 izmēra maizes dēlis, Digikey PN 1528-1101-ND

1 x akumulatora turētājs 3 x AA šūnas, Digikey PN BC3AAW-ND

1 x Adafruit Sensiron SHT31-D sadalīšanas dēlis, Digikey PN 1528-1540-ND

1 x Sparkfun RF saites raidītājs (434 MHz), Digikey PN 1568-1175-ND

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

1 x 8 kontaktu DIP ligzda, Digikey PN AE10011-ND

1 x 10K omi, 1/8 W rezistors, Digikey PN CF18JT10K0CT-ND

6,75 collas / 17 cm 18AWG emaljēta vara stieples garums

1 x divpusēja putuplasta lente

18 collu / 45 cm stieples iesaiņošanas stieple

ATtiny85 tiek izmantota ligzda, jo ķēdes programmēšana netiek atbalstīta.

SHT31-D sadalīšanas panelis, RF saites raidītājs, 8 kontaktu DIP ligzda un antenas vads ir pielodēti uz maizes dēļa, kā parādīts iepriekš redzamajā fotoattēlā. Pirms lodēšanas pie maizes dēļa noņemiet emalju no 1/4 collas 18AWG antenas stieples.

10K omu rezistors ir pielodēts uz maizes dēļa starp 8 kontaktu DIP ligzdas 1. un 8. tapu.

Stiepļu ietīšanas stieple ir pielodēta maizes dēļa aizmugurē, lai izveidotu saikni starp komponentiem saskaņā ar bezvadu tālvadības shēmu, kas parādīta iepriekšējā solī.

Pozitīvie un negatīvie vadi no akumulatora turētāja tiek pielodēti vienā "+" un "-" autobusu komplektā uz maizes dēļa.

434 MHz bezvadu tālvadības pults tiek pārbaudīta ar bezvadu tiltu un LoRa IOT vārteju. 434 MHz bezvadu tālvadības pults nekavējoties nosūtīs paketi katru reizi, kad tiek ievietotas baterijas, un pēc tam ik pēc ~ 10 minūtēm. Saņemot bezvadu paketi no 434 MHz sensoru slāņa, bezvadu tilta zaļā gaismas diode mirgo ~ 0,5 sekundes. Stacijas nosaukums, temperatūra un mitrums jāparāda LoRa IOT vārtejā, ja vārtejā ir norādīts 434 MHz bezvadu tālvadības stacijas numurs.

Kad bezvadu tālvadības pults ir pārbaudīta ar ieprogrammētu ATtiny85, divpusējās putu lentes gabals, kas sagriezts tādā pašā izmērā kā maizes dēlis, tiek izmantots, lai piestiprinātu pabeigto maizes dēli pie akumulatora turētāja.

3. darbība: 434 MHz bezvadu tālvadības programmatūra

434 MHz bezvadu tālvadības programmatūra ir pievienota šim solim un ir labi komentēta.

Es programmēju ATtiny85 mikrokontrollerus, izmantojot Sparkfun Tiny AVR programmētāju un Arduino IDE. Sparkfun ir plaša apmācība par to, kā iestatīt draiverus utt. Un kā panākt, lai programmētājs strādātu ar Arduino IDE.

Tiny AVR programmētājam pievienoju ZIF (Zero Insertion Force) ligzdu, lai būtu vieglāk pievienot un noņemt mikroshēmas no programmētāja.

4. solis: bezvadu tilta aparatūra

Detaļu saraksts:

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

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

1 x Adafruit RFM9W LoRa radio uztvērēja dēlis (915 MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

1 x Sparkfun RF saites uztvērējs (434 MHz), Digikey PN 1568-1173-ND

1 x 8 kontaktu DIP ligzda, Digikey PN AE10011-ND

6,75 collas / 17 cm 18AWG emaljēta vara stieples garums

3,25 collas / 8,5 cm 18AWG emaljēta vara stieples garums

24 collu / 61 cm stieples iesaiņošanas stieple

1 x USB kabelis A / MicroB, 3 pēdas, Adafruit PID 592

1 x 5V 1A USB porta barošanas avots, Adafruit PID 501

Salieciet prototipa vairogu saskaņā ar instrukcijām vietnē Adafruit.com.

Salieciet RFM95W LoRa uztvērēja dēli saskaņā ar norādījumiem vietnē Adafruit.com. Antenai tiek izmantots 3,25 collu / 8,5 cm 18AWG stieples garums, un tas ir pielodēts tieši pie raiduztvērēja plates, pēc tam, kad no stieples ir noņemta 1/4 collas emaljas.

Uzmanīgi sagrieziet 8 kontaktu DIP ligzdu uz pusēm, lai izveidotu divus 4 kontaktu SIP ligzdu komplektus.

Lodējiet divas 4 kontaktu SIP ligzdas pie prototipa vairoga, kā parādīts attēlā. Tie tiks izmantoti, lai pievienotu RF saites uztvērēju, tāpēc pirms lodēšanas pārliecinieties, vai tie ir pareizajos caurumos, lai tie atbilstu RF saites raidītājam.

Lodējiet RFM9W LoRa raiduztvērēja plāksni pie prototipa vairoga, kā parādīts attēlā.

Šādi savienojumi tiek izveidoti starp Arduino Uno un RFM9W raiduztvērēja plāksni, izmantojot stieples ietīšanas vadu prototipēšanas plates augšpusē:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, RadioHead bibliotēka izmanto 0 pārtraukumu šajā tapā

RFM9W SCK Arduino ICSP galvene, 3. tapa

RFM9W MISO Arduino ICSP galvene, 1. tapa

RFM9W MOSI Arduino ICSP galvene, 4. tapa

RFM9W CS Arduino digitālā I/O tapa 8

RFM9W RST Arduino digitālā I/O tapa 9

Prototipēšanas dēļa apakšējā pusē ir izveidoti šādi savienojumi:

RFM9W VIN prototipēšanas dēļa 5V kopne

RFM9W GND Prototipēšanas dēļa zemes (GND) autobuss

RF Link Rx Pin 1 (GND) Prototipēšanas dēļa zemes (GND) kopne

RF Link Rx Pin 2 (datu izeja) Arduino Digital I/O Pin 6

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Prototipēšanas plates 5V kopne

Proto Board Green LED Arduino Digital I/O Pin 7

RF saites uztvērēja tapas informācija ir pieejama vietnē www.sparkfun.com.

Noņemiet emalju no 1/4 collas no 18AWG stieples 6,75 collu garuma un ievietojiet to prototipa plāksnes atverē, kas atrodas blakus RF Link Rx tapai 8 (antena). Kad ievietots caurumā, salieciet noņemto galu tā, lai saskarieties ar RF Link Rx Pin 8 un pielodējiet to vietā.

Programmējiet Arduino Uno ar skici, kas sniegta nākamajā darbībā. Pēc atiestatīšanas vai ieslēgšanas zaļā gaismas diode divas reizes mirgos 0,5 sekundes. Saņemot bezvadu paketi no 434 MHz sensoru slāņa, zaļā gaismas diode mirgo ~ 0,5 sekundes.

5. darbība. Bezvadu tilta programmatūra

Programmai Wireless Bridge ir pievienota šī darbība, un tā ir labi komentēta.