Naujas belaidis IOT jutiklio sluoksnis namų aplinkos stebėjimo sistemai: 5 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:47

Šioje instrukcijoje aprašomas pigesnis, baterijomis maitinamas belaidis IOT jutiklio sluoksnis, skirtas mano ankstesnei „Instructable“: „LoRa IOT Home Environmental Monitoring System“. Jei dar nematėte šios ankstesnės „Instructable“programos, rekomenduoju perskaityti įvadą, kad apžvelgtumėte sistemos galimybes, kurios dabar išplėstos į šį naują jutiklių sluoksnį.

Pradinė „LoRa IOT Home“aplinkos stebėjimo sistema pasiekė tikslus, kuriuos buvau užsibrėžusi paskelbdama 2017 m. Balandžio mėn. pridėkite dar 11 jutiklių ypač pažeidžiamose namų vietose; įskaitant šešis jutiklius, strategiškai išdėstytus rūsyje, jutiklius kiekviename vonios kambaryje ir jutiklį palėpėje, skalbykloje ir virtuvėje.

Užuot pridėjęs daugiau „LoRa“pagrįstų jutiklių iš ankstesnio „Instructable“, kurie yra šiek tiek brangesni ir maitinami naudojant kintamosios srovės adapterius, aš nusprendžiau pridėti pigesnių, baterijomis valdomų jutiklių sluoksnį, naudojant 434 MHz radijo dažnio ryšio siųstuvus. Norėdami išlaikyti suderinamumą su esama „LoRa IOT“namų aplinkos stebėjimo sistema, pridėjau belaidį tiltą, kad galėčiau priimti 434 MHz paketus ir juos persiųsti kaip „LoRa“paketus 915 MHz dažniu.

Naujasis jutiklių sluoksnis susideda iš šių posistemių:

1. 434 MHz belaidžiai nuotolinio valdymo pultai - su baterijomis valdomi temperatūros ir drėgmės jutikliai
2. Belaidis tiltas - priima 434 MHz paketus ir persiunčia juos kaip „LoRa“paketus.

434 MHz belaidžiai nuotolinio valdymo pultai naudoja mažesnę perdavimo galią ir mažiau patikimus protokolus, palyginti su „LoRa“radijo imtuvais, todėl „Wireless Bridge“vieta namuose pasirinkta taip, kad būtų užtikrintas patikimas ryšys su visais 434 MHz belaidžiais nuotolinio valdymo pultais. Naudojant „Wireless Bridge“galima optimizuoti ryšį su 434 MHz belaidžiais nuotolinio valdymo pultais, neribojant to, kur yra „LoRa IOT Gateway“.

434 MHz belaidžiai nuotolinio valdymo pultai ir belaidis tiltas yra sukurti naudojant lengvai prieinamus aparatūros modulius ir keletą atskirų komponentų. Dalių galima įsigyti iš „Adafruit“, „Sparkfun“ir „Digikey“; daugeliu atvejų „Digikey“taip pat galima įsigyti „Adafruit“ir „Sparkfun“dalių. Norint surinkti techninę įrangą, reikia kompetentingų litavimo įgūdžių, ypač 434 MHz belaidžių nuotolinio valdymo pultų taškų sujungimo. „Arduino“kodas yra gerai pakomentuotas, kad būtų galima suprasti ir palengvinti funkcionalumą.

Šio projekto tikslai buvo šie:

• Raskite pigesnę belaidę technologiją, tinkančią namų aplinkai.
• Sukurkite baterijomis maitinamą belaidį jutiklį, galintį veikti daugelį metų su vienu baterijų rinkiniu.
• Nereikalaukite jokių „LoRa IOT Gateway“aparatinės įrangos ar programinės įrangos pakeitimų iš ankstesnės „Instructable“programos.

Bendra 434 MHz belaidžio nuotolinio valdymo pulto dalių kaina, neįskaitant 3xAA baterijų, yra 25 USD, iš kurių SHT31-D temperatūros ir drėgmės jutiklis sudaro daugiau nei pusę (14 USD).

Kaip ir „LoRa“nuotolinio valdymo pultai iš ankstesnio „Instructable“, 434 MHz belaidžiai nuotolinio valdymo pultai matuoja temperatūros ir drėgmės rodmenis ir kas 10 minučių praneša „LoRa IOT Gateway“per „Wireless Bridge“. Vienuolika 434 MHz belaidžių nuotolinio valdymo pultelių buvo pradėti naudoti 2017 m. Gruodžio mėn. Naudojant 3 x AA baterijas, nominaliai tiekiančias 4,5 V. 2017 m. Gruodžio mėn. Vienuolikos jutiklių akumuliatoriaus rodmenys svyravo nuo 4,57 V iki 4,71 V, o po šešiolikos mėnesių 2019 m. Gegužės mėn. Naudojant detales, turinčias platų darbinės įtampos diapazoną, jutikliai turėtų veikti dar vienerius metus ar ilgiau, jei išlaikomas RF ryšio patikimumas, nes perdavimo galia mažėja esant žemesnei akumuliatoriaus įtampai.

Mano buitinėje aplinkoje 434 MHz jutiklio sluoksnio patikimumas buvo puikus. Naujasis jutiklio sluoksnis yra išdėstytas 4 200 kvadratinių metrų ploto ir 1 800 kvadratinių metrų nebaigtos rūsio erdvės. Jutiklius nuo „Wireless Bridge“skiria 2–3 vidinės sienos ir grindys/lubos. „LoRa IOT Gateway“iš ankstesnio „Instructable“siunčia SMS įspėjimą, jei ryšys su jutikliu nutrūksta ilgiau nei 60 minučių (6 praleisti dešimties minučių pranešimai). Vienas jutiklis, esantis ant grindų kampe, esančiame tolimiausiame rūsio gale, už sukrautų dėžių, retkarčiais įspės apie prarastą kontaktą, tačiau visais atvejais ryšys su jutikliu atsistato be jokio įsikišimo.

Dėkojame, kad apsilankėte šioje pamokoje, ir, jei reikia daugiau informacijos, atlikite šiuos veiksmus.

1. Baterija valdomo belaidžio jutiklio konstrukcija
2. 434 MHz belaidė nuotolinė aparatinė įranga
3. 434 MHz belaidė nuotolinė programinė įranga
4. Belaidžio tilto aparatinė įranga
5. Belaidžio tilto programinė įranga

1 žingsnis: belaidžio jutiklio dizainas, valdomas baterijomis

434 MHz belaidžio nuotolinio valdymo pulto konstrukcijoje naudojamos šios dalys:

• ATtiny85 8 bitų AVR mikrovaldiklis
• „Sensirion SHT31 -D“- temperatūros ir drėgmės jutiklio pertraukimo lenta
• „Sparkfun“434 MHz radijo ryšio siųstuvas
• 10K omų rezistorius

Vienas iš ankstyvųjų projektavimo sprendimų buvo vengti prietaisų, kuriems reikalingas reguliuojamas 3.3V arba 5V, ir pasirinkti dalis, veikiančias plačiame įtampos diapazone. Tai nereikalauja įtampos reguliatorių, kurie yra energijos taupymo įrenginiai su baterijomis, ir prailgina jutiklių veikimo laiką, nes jie ir toliau veiks ilgiau, nes laikui bėgant akumuliatoriaus įtampa mažės. Pasirinktų dalių darbinės įtampos diapazonai yra šie:

• ATtiny85: nuo 2,7V iki 5,5V
• SHT31-D: nuo 2.4V iki 5.5V
• RF ryšys Tx: nuo 1,5V iki 12V

Leidžiant tam tikrą ribą, 434 MHz belaidžiai nuotolinio valdymo pultai turėtų veikti iki 3 V baterijos. Kaip jau minėta, dar reikia išsiaiškinti, kaip išlaikomas RF ryšio patikimumas, nes sumažėja perdavimo galia esant žemesnei akumuliatoriaus įtampai.

Buvo nuspręsta naudoti 3 x AA baterijas, kad nominali pradinė įtampa būtų 4,5 V. Po 16 darbo mėnesių mažiausia išmatuota akumuliatoriaus įtampa yra 4,36 V.

„ATtiny85 Watch Dog Timer“(WDT) naudojamas 434 MHz belaidžio nuotolinio valdymo pulto veikimui miego režimu. „ATtiny85“WDT pažadina kas 8 sekundes, kad padidintų 10 minučių skaitiklį; pasiekus 10 minučių intervalą, atliekamas matavimas ir perduodamas duomenų paketas.

Siekiant dar labiau sumažinti energijos suvartojimą, SHT31-D ir RF ryšių siųstuvas maitinami iš skaitmeninio įvesties/išvesties prievado kaiščio, esančio ATtiny85, sukonfigūruotame kaip išvestis. Maitinimas įjungiamas, kai įvesties/išvesties kaištis yra pasuktas aukštai (1), ir pašalinamas, kai įvesties/išvesties kaištis yra žemai (0). Naudojant programinę įrangą, šiems periferiniams įrenginiams energija tiekiama tik kas 10 minučių 1–2 sekundes, kol matuojami ir perduodami matavimai. Susijusios programinės įrangos aprašymą rasite 434 MHz belaidžio nuotolinio valdymo programinėje įrangoje.

Vienintelis kitas komponentas, naudojamas 434 MHz belaidžio nuotolinio valdymo pulte, yra 10 K omų rezistorius, naudojamas ATtiny85 atstatymo kaiščiui ištraukti.

Ankstyvoje konstrukcijoje buvo naudojamas varžinis įtampos skirstytuvas per akumuliatorių, kad ATTINY85 būtų galima išmatuoti akumuliatoriaus įtampą. Nors ir nedidelis, šis įtampos skirstytuvas akumuliatorių apkrovė nuolat. Kai kurie tyrimai parodė triuką, kuris naudoja ATtiny85 vidinę 1,1 V juostos tarpo etaloninę įtampą Vcc (akumuliatoriaus įtampai) matuoti. Nustačius ADC etaloninę įtampą į Vcc ir išmatavus vidinę 1,1 V etaloninę įtampą, galima išspręsti Vcc. ATtiny85 vidinė 1,1 V etaloninė įtampa yra pastovi tol, kol Vcc> 3V. Susijusios programinės įrangos aprašymą rasite 434 MHz belaidžio nuotolinio valdymo programinėje įrangoje.

Ryšys tarp ATtiny85 ir SHT31-D vyksta per I2C magistralę. „Adafruit SHT31-D“pertraukimo plokštėje yra I2C magistralės traukiamieji rezistoriai.

Ryšys tarp „ATtiny85“ir „RF Link“siųstuvo vyksta per skaitmeninį įvesties/išvesties kaištį, sukonfigūruotą kaip išvestis. „RadioHead“paketinio radijo biblioteka RH_ASK naudojama įjungimo-išjungimo klavišui (OOK / ASK) RF jungties siųstuvui per šį skaitmeninį įvesties / išvesties kaištį.

2 žingsnis: 434 MHz belaidė nuotolinė aparatinė įranga

Dalių sąrašas:

1 x „Adafruit“1/4 dydžio duonos lenta, „Digikey PN 1528-1101-ND“

1 x baterijos laikiklis 3 x AA elementai, Digikey PN BC3AAW-ND

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

1 x „Sparkfun“RF ryšio siųstuvas (434 MHz), „Digikey PN 1568-1175-ND“

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

1 x 8 kontaktų DIP lizdas, Digikey PN AE10011-ND

1 x 10K omų, 1/8 W rezistorius, Digikey PN CF18JT10K0CT-ND

6,75 colio / 17 cm 18AWG emaliuotos varinės vielos ilgis

1 x dvipusė putų juosta

18 colių / 45 cm vielos vyniojimo viela

„ATtiny85“naudojamas lizdas, nes programavimas grandinėje nepalaikomas.

SHT31-D pertraukimo plokštė, RF nuorodos siųstuvas, 8 kontaktų DIP lizdas ir antenos laidas yra lituojami ant duonos lentos, kaip parodyta aukščiau esančioje nuotraukoje. Prieš litavimą prie duonos lentos pašalinkite emalį nuo 1/4 colio 18AWG antenos laido.

10K omų rezistorius yra lituojamas ant duonos lentos tarp 8 kontaktų DIP lizdo 1 ir 8 kaiščių.

Vielos vyniojimo viela yra lituojama ant duonos lentos galinės pusės, kad būtų galima susieti komponentus pagal „Wireless Remote“schemą, parodytą ankstesniame žingsnyje.

Teigiami ir neigiami laidai iš akumuliatoriaus laikiklio yra prilituoti prie vieno „+“ir „-“autobusų rinkinio, atitinkamai, ant lentos.

434 MHz belaidis nuotolinio valdymo pultas yra išbandytas naudojant „Wireless Bridge“ir „LoRa IOT Gateway“. 434 MHz belaidis nuotolinio valdymo pultas iš karto išsiųs paketą kiekvieną kartą, kai bus įdėtos baterijos, o po to kas ~ 10 minučių. Gavus belaidžio ryšio paketą iš 434 MHz jutiklio sluoksnio, žalia lemputė ant „Wireless Bridge“mirksi ~ 0,5 s. Stoties pavadinimą, temperatūrą ir drėgmę turėtų rodyti „LoRa IOT Gateway“, jei šliuzuose buvo pateiktas 434 MHz belaidžio nuotolinio stoties numeris.

Kai belaidis nuotolinio valdymo pultas yra gerai išbandytas su užprogramuotu ATtiny85, dvipusio putplasčio juostos gabalas, supjaustytas tokio paties dydžio kaip ir duonos lentelė, naudojamas užpildytai duonos lentai pritvirtinti prie akumuliatoriaus laikiklio.

3 žingsnis: 434 MHz belaidė nuotolinė programinė įranga

434 MHz belaidžio nuotolinio valdymo programinė įranga pridedama prie šio žingsnio ir yra gerai komentuojama.

Aš užprogramavau ATtiny85 mikrovaldiklius naudodami „Sparkfun Tiny AVR“programuotoją ir „Arduino IDE“. „Sparkfun“turi platų vadovėlį, kaip nustatyti tvarkykles ir pan., Ir kaip priversti programuotoją dirbti su „Arduino IDE“.

Prie „Tiny AVR“programuotojo pridėjau ZIF („Zero Insertion Force“) lizdą, kad būtų lengviau pridėti ir pašalinti lustus iš programuotojo.

4 žingsnis: belaidžio tilto aparatinė įranga

Dalių sąrašas:

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“radijo imtuvo plokštė (915 MHz), „Digikey PN 1528-1667-ND“

1 x „Sparkfun“RF ryšio imtuvas (434 MHz), „Digikey PN 1568-1173-ND“

1 x 8 kontaktų DIP lizdas, Digikey PN AE10011-ND

6,75 colio / 17 cm 18AWG emaliuotos varinės vielos ilgis

3,25 colio / 8,5 cm 18AWG emaliuotos varinės vielos ilgis

24 colių / 61 cm vielos vyniojimo viela

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

1 x 5V 1A USB jungties maitinimo šaltinis, „Adafruit PID 501“

Surinkite prototipų skydą pagal Adafruit.com pateiktas instrukcijas.

Surinkite RFM95W „LoRa“siųstuvo -imtuvo plokštę pagal Adafruit.com pateiktas instrukcijas. Antenai naudojamas 3,25 colio / 8,5 cm ilgio 18AWG laidas ir jis yra lituojamas tiesiai prie siųstuvo -imtuvo plokštės, pašalinus 1/4 colio emalio nuo laido.

Atsargiai perpjaukite 8 kontaktų DIP lizdą per pusę, kad sukurtumėte du 4 kontaktų SIP lizdų rinkinius.

Lituokite du 4 kontaktų SIP lizdus prie prototipų skydo, kaip parodyta. Jie bus naudojami prijungti „RF Link“imtuvą, todėl prieš litavimą įsitikinkite, kad jie yra tinkamose skylėse, kad atitiktų „RF Link“siųstuvą.

Lituokite RFM9W „LoRa“siųstuvo -imtuvo plokštę prie prototipų skydo, kaip parodyta.

Toliau pateikiamos jungtys tarp „Arduino Uno“ir „RFM9W“siųstuvo -imtuvo plokštės, naudojant vielos vyniojimo vielą, esančią viršutinėje prototipų plokštės pusėje:

RFM9W G0 „Arduino Digital I/O Pin 2“, „RadioHead“biblioteka naudoja „0“pertrauką šiame kaištyje

RFM9W SCK „Arduino ICSP“antraštė, 3 kaištis

RFM9W MISO Arduino ICSP antraštė, 1 kaištis

RFM9W MOSI Arduino ICSP antraštė, 4 kaištis

RFM9W CS „Arduino“skaitmeninis įvesties/išvesties kaištis 8

RFM9W RST „Arduino“skaitmeninis įvesties/išvesties kaištis 9

Apatinėje prototipų sudarymo plokštės pusėje atliekamos šios jungtys:

RFM9W VIN prototipų plokštės 5V magistralė

RFM9W GND prototipų plokštės įžeminimo (GND) magistralė

RF Link Rx Pin 1 (GND) Prototipų plokštės įžeminimo (GND) magistralė

„RF Link Rx Pin 2“(duomenų išvestis) „Arduino Digital“įvesties/išvesties kaištis 6

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Prototipų plokštės 5V magistralė

„Proto Board“žalias LED „Arduino“skaitmeninis įvesties/išvesties kaištis 7

Informaciją apie RF nuorodos imtuvą rasite adresu www.sparkfun.com.

Pašalinkite emalį nuo 1/4 colio 6,75 colio 18AWG laido ir įkiškite jį į prototipų plokštės angą, esančią šalia RF Link Rx kaiščio 8 (antena). Įdėję į skylę, sulenkite nuimamą galą taip, kad jis susisiekite su „RF Link Rx Pin 8“ir prilituokite.

Užprogramuokite „Arduino Uno“naudodami eskizą, pateiktą kitame žingsnyje. Kai iš naujo nustatysite arba įjungsite, žalias šviesos diodas du kartus mirksės 0,5 sekundės. Gavus belaidį paketą iš 434 MHz jutiklio sluoksnio, žalias šviesos diodas mirksi ~ 0,5 s.

5 veiksmas: „Wireless Bridge“programinė įranga

„Wireless Bridge“programinė įranga pridedama prie šio žingsnio ir yra gerai komentuojama.