Nova brezžična senzorska plast IOT za domači sistem za spremljanje okolja: 5 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Ta Instructable opisuje cenejšo, brezžično senzorsko plast IOT, ki deluje na baterije, za moj prejšnji Instructable: LoRa IOT Home Monitoring System. Če tega prejšnjega Instructable še niste gledali, priporočam, da preberete uvod za pregled zmogljivosti sistema, ki so zdaj razširjene na to novo plast senzorja.

Prvotni sistem LoRa IOT za domače spremljanje okolja je dosegel cilje, ki sem jih postavil, ko je bil objavljen aprila 2017. Vendar pa sem po večmesečnem nadzornem sistemu za spremljanje temperature in vlažnosti v vsakem nadstropju hiše želel dodajte še 11 senzorjev na posebej ranljivih lokacijah v hiši; vključno s šestimi senzorji, strateško postavljenimi v kleti, senzorji v vsaki kopalnici in senzorjem na podstrešju, pralnici in kuhinji.

Namesto da bi dodal več senzorjev na osnovi LoRa iz prejšnjih Instructable, ki so nekoliko dragi in se napajajo prek napajalnikov, sem se odločil, da dodam plast cenejših senzorjev na baterije, ki uporabljajo oddajnike RF-povezave 434 MHz. Za ohranitev združljivosti z obstoječim LoRa IOT sistemom za spremljanje okolja na domu sem dodal brezžični most za sprejem paketov 434-MHz in jih znova poslal kot pakete LoRa pri 915-MHz.

Novi senzorski sloj je sestavljen iz naslednjih podsistemov:

1. 434 -MHz brezžični daljinski upravljalniki - senzorji temperature in vlažnosti, ki delujejo na baterije
2. Brezžični most - Prejema pakete 434 -MHz in jih ponovno posreduje kot pakete LoRa.

Brezžični daljinski upravljalniki s 434 MHz uporabljajo nižjo moč prenosa in manj robustne protokole v primerjavi z radii LoRa, zato je lokacija Wireless Bridge v hiši izbrana tako, da zagotavlja zanesljivo komunikacijo z vsemi 434-MHz brezžičnimi daljinci. Uporaba brezžičnega mostu omogoča optimizacijo komunikacije z brezžičnim daljinskim upravljalnikom s 434 MHz, ne da bi pri tem omejili lokacijo prehoda LoRa IOT.

434-MHz brezžični daljinski upravljalnik in brezžični most sta zgrajena z uporabo razpoložljivih strojnih modulov in nekaj posameznih komponent. Deli so na voljo pri Adafruit, Sparkfun in Digikey; v mnogih primerih so deli družbe Adafruit in Sparkfun na voljo tudi pri Digikeyju. Za sestavljanje strojne opreme so potrebne kompetentne veščine spajkanja, zlasti ožičenje od točke do točke 434-MHz brezžičnega daljinskega upravljalnika. Koda Arduino je dobro komentirana za razumevanje in omogočanje enostavne razširitve funkcionalnosti.

Cilji tega projekta so bili naslednji:

• Poiščite cenejšo brezžično tehnologijo, primerno za gospodinjska okolja.
• Razvijte brezžični senzor na baterije, ki lahko deluje več let na enem kompletu baterij.
• Ne zahtevajte sprememb strojne ali programske opreme LoRa IOT Gateway iz mojega prejšnjega Instructable.

Skupni stroški delov za brezžični daljinski upravljalnik s 434 MHz, razen baterij 3xAA, znašajo 25 USD, od tega senzor temperature in vlažnosti SHT31-D predstavlja več kot polovico (14 USD).

Tako kot daljinski upravljalniki LoRa iz mojega prejšnjega Instructable-a, tudi brezžični daljinski upravljalniki s 434-MHz merijo temperaturo in vlago ter poročajo na prehod LoRa IOT prek brezžičnega mostu vsakih 10 minut. Enajst 434-MHz brezžičnih daljinskih upravljalnikov je bilo decembra 2017 začetih z uporabo 3 x AA baterij, ki običajno zagotavljajo 4,5 V. Odčitki akumulatorjev pri enajstih senzorjih decembra 2017 so se gibali od 4,57 V do 4,71 V, šestnajst mesecev kasneje maja 2019 se odčitki akumulatorjev gibljejo od 4,36 V do 4,55 V. Uporaba delov s širokim razponom delovne napetosti bi morala zagotoviti delovanje senzorjev še eno leto ali več, ob upoštevanju zanesljivosti RF povezave, saj se z nižjo napetostjo baterije zmanjša oddajna moč.

Zanesljivost 434-MHz senzorske plasti je bila v mojem gospodinjstvu odlična. Nova senzorska plast je razporejena na 4, 200 SqFt dokončanega prostora in 1, 800 SqFt nedokončanega kletnega prostora. Senzorji so od brezžičnega mostu ločeni s kombinacijo 2 - 3 notranjih sten in tal/stropa. LoRa IOT Gateway iz prejšnjega Instructable pošlje SMS opozorilo, če se komunikacija s senzorjem izgubi za več kot 60 minut (6 zgrešenih desetminutnih poročil). En senzor na tleh v kotu na skrajnem koncu kleti za zloženimi škatlami bo vsake toliko sprožil opozorilo o izgubi stika, vendar se v vseh primerih komunikacija s senzorjem znova vzpostavi brez kakršnega koli posega.

Zahvaljujemo se vam, da ste obiskali ta navodila, za nadaljnje informacije pa si oglejte naslednje korake.

1. Zasnova brezžičnega senzorja na baterije
2. 434-MHz brezžična oddaljena strojna oprema
3. 434-MHz brezžična programska oprema za daljinsko upravljanje
4. Brezžična strojna oprema Bridge
5. Brezžična programska oprema Bridge

Korak: Zasnova brezžičnega senzorja na baterije

Zasnova brezžičnega daljinskega upravljalnika 434-MHz uporablja naslednje dele:

• 8-bitni AVR mikrokrmilnik ATtiny85
• Sensirion SHT31 -D - Odmikalna plošča senzorja temperature in vlažnosti
• Oddajnik RF Link za Sparkfun 434-MHz
• 10K ohmski upor

Ena od zgodnjih oblikovalskih odločitev je bila, da se izognemo napravam, ki potrebujejo regulirane 3.3V ali 5V, in izberemo dele, ki delujejo v širokem razponu napetosti. To odpravlja potrebo po regulatorjih napetosti, ki so porabniki energije v baterijski izvedbi, in podaljša življenjsko dobo senzorjev, saj bodo še naprej delovali, saj se napetost akumulatorja sčasoma zmanjšuje. Razpon delovne napetosti za izbrane dele je naslednji:

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

Brezžični daljinski upravljalniki s 434 MHz bi morali ob določeni meji funkcionalno delovati do napetosti baterije 3V. Kot smo že omenili, je treba šele ugotoviti, kako dobro se vzdržuje zanesljivost RF povezave, saj se z nižjo napetostjo baterije zmanjša oddajna moč.

Odločena je bila uporaba 3 x AA baterij za zagotovitev nazivne začetne napetosti 4,5 V. Po 16 mesecih delovanja je najnižja izmerjena napetost akumulatorja 4,36 V.

ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) se uporablja za ohranjanje 434-MHz brezžičnega daljinskega upravljalnika v načinu mirovanja večino časa. ATiny85 se zbudi z WDT vsakih 8 sekund, da poveča 10 -minutni števec; ko doseže 10 -minutni interval, se izvede meritev in posreduje podatkovni paket.

Za dodatno zmanjšanje porabe energije se oddajnik SHT31-D in RF Link oddajnik napaja iz vtičnice za digitalni V/I na ATtiny85, ki je konfigurirana kot izhod. Napajanje se vklopi, ko je V/I zatič nastavljen na visoko (1), in se izklopi, ko je V/I zatič nizko (0). Prek programske opreme se na teh zunanjih napravah napaja le vsakih 10 minut za 1-2 sekunde, medtem ko se meritve izvajajo in prenašajo. Za opis povezane programske opreme glejte 434-MHz brezžično oddaljeno programsko opremo.

Edina druga komponenta, ki se uporablja v brezžičnem daljinskem upravljalniku 434-MHz, je 10K ohmski upor, ki se uporablja za dvig zatiča za ponastavitev na ATtiny85.

Zgodnja zasnova je uporabila uporovni delilnik napetosti na akumulatorju, da je omogočila ADC pin na ATTINY85 za merjenje napetosti akumulatorja. Čeprav je bil ta razdelilnik napetosti majhen, je baterijo stalno obremenjeval. Nekatere raziskave so pokazale zvijačo, ki uporablja notranjo referenčno napetost pasovne reže ATtiny85 za merjenje Vcc (napetost baterije). Z nastavitvijo referenčne napetosti ADC na Vcc in merjenjem notranje referenčne napetosti 1,1 V je mogoče rešiti Vcc. Notranja referenčna napetost 1,1V ATtiny85 je konstantna, dokler je Vcc> 3V. Za opis povezane programske opreme glejte 434-MHz brezžično oddaljeno programsko opremo.

Komunikacija med ATtiny85 in SHT31-D poteka prek vodila I2C. Odklopna plošča Adafruit SHT31-D vključuje vlečne upore za vodilo I2C.

Komunikacija med ATtiny85 in oddajnikom RF Link poteka prek digitalnega V/I zatiča, ki je konfiguriran kot izhod. Paketna radijska knjižnica RadioHead RH_ASK se uporablja za tipko za vklop / izklop (OOK / ASK) oddajnika RF povezave prek tega digitalnega V / I-pina.

Korak: 434-MHz brezžična oddaljena strojna oprema

Seznam delov:

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

1 x Držalo za baterije 3 x AA celice, Digikey PN BC3AAW-ND

1 x Odbojna deska Adafruit Sensiron SHT31-D, Digikey PN 1528-1540-ND

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

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

1 x 8-polna DIP vtičnica, Digikey PN AE10011-ND

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

6,75 / 17 cm Dolžina 18AWG emajlirane bakrene žice

1 x kos dvostranskega penastega traku

18 / 45 cm žica za zavijanje žice

Za ATtiny85 se uporablja vtičnica, saj programiranje v tokokrogu ni podprto.

Odklopna plošča SHT31-D, oddajnik RF Link, 8-polna DIP vtičnica in antenska žica so spajkani na ploščo, kot je prikazano na zgornji fotografiji. Pred spajkanjem na ploščo odstranite emajl iz 1/4 antenske žice 18AWG.

10K ohmski upor je spajen na plošči med zatiči 1 in 8 8-polne DIP vtičnice.

Ovojna žica je spajkana na hrbtni strani plošče za vzpostavitev povezave med komponentami v skladu s shemo brezžičnega daljinskega upravljalnika, prikazano v prejšnjem koraku.

Pozitivni in negativni vodi iz nosilca baterije so spajkani v en komplet vodilov "+" oziroma "-" na plošči.

434-MHz brezžični daljinski upravljalnik je preizkušen z brezžičnim mostom in prehodom LoRa IOT. Brezžični daljinski upravljalnik s 434 MHz bo takoj poslal paket vsakič, ko vstavite baterije, nato pa vsakih ~ 10 minut. Po prejemu brezžičnega paketa s 434-MHz senzorske plasti zelena LED na brezžičnem mostu utripa ~ 0,5 s. LoRa IOT Gateway mora prikazati ime postaje, temperaturo in vlažnost, če je na prehodu določena številka brezžične oddaljene postaje 434-MHz.

Ko je brezžični daljinski upravljalnik preizkušen v redu s programiranim ATtiny85, se kos dvostranskega penastega traku, narezan na enako velikost kot plošča, uporabi za pritrditev dokončane plošče na držalo za baterijo.

3. korak: Programska oprema za brezžično oddaljeno upravljanje na 434 MHz

434-MHz brezžični daljinski upravljalnik je priložen temu koraku in je dobro komentiran.

Mikrokontrolerje ATtiny85 sem programiral s programom Sparkfun Tiny AVR Programmer in Arduino IDE. Sparkfun ima obsežno vadnico o tem, kako nastaviti gonilnike itd. In kako programer sodelovati z Arduino IDE.

Programerju za drobne AVR sem dodal vtičnico ZIF (Zero Insertion Force), da sem olajšal dodajanje in odstranjevanje čipov iz programatorja.

4. korak: Brezžična strojna oprema Bridge

Seznam delov:

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

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

1 x Radijska oddajna plošča Adafruit RFM9W LoRa (915-MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

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

1 x 8-polna DIP vtičnica, Digikey PN AE10011-ND

6,75 / 17 cm Dolžina 18AWG emajlirane bakrene žice

3,25 / 8,5 cm dolžina 18AWG emajlirane bakrene žice

24 / 61 cm žica za zavijanje žice

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

1 x 5V 1A napajalnik USB, Adafruit PID 501

Ščit za izdelavo prototipov sestavite v skladu z navodili na Adafruit.com.

Oddajniško ploščo RFM95W LoRa sestavite v skladu z navodili na Adafruit.com. Za anteno se uporablja žica 18AWG dolžine 3,25 " / 8,5 cm in je spajkana neposredno na oddajno ploščo po odstranitvi 1/4" emajla z žice.

8-polno DIP vtičnico previdno prerežite na pol dolžine, da ustvarite dva niza 4-polnih SIP vtičnic.

Pripnite dve 4-polni vtičnici SIP na ščit za izdelavo prototipov, kot je prikazano. Ti bodo uporabljeni za priključitev sprejemnika RF povezave, zato se pred spajkanjem prepričajte, da so v pravih luknjah, da se ujemajo z oddajnikom RF povezave.

Spojite oddajniško ploščo RFM9W LoRa na ščit za izdelavo prototipov, kot je prikazano.

Med Arduino Uno in oddajno ploščo RFM9W se z uporabo žice za zavijanje žice na zgornji strani prototipne plošče izvedejo naslednje povezave:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, knjižnica RadioHead uporablja prekinitev 0 na tem pinu

RFM9W SCK Arduino ICSP glava, pin 3

RFM9W MISO Arduino ICSP glava, pin 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP glava, pin 4

RFM9W CS Arduino digitalni V/I pin 8

RFM9W RST Arduino digitalni V/I pin 9

Na spodnji strani plošče za izdelavo prototipov so izvedene naslednje povezave:

RFM9W VIN prototipna plošča 5V vodilo

RFM9W GND vodilo za izdelavo prototipov na tleh (GND)

RF Link Rx Pin 1 (GND) Ozemljitveno vodilo za ploščo za izdelavo prototipov (GND)

RF Link Rx Pin 2 (podatkovni izhod) Arduino Digital I/O Pin 6

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Prototipska vezja 5V vodilo

Proto Board Green LED Arduino Digital I/O Pin 7

Informacije o pin za sprejemnik RF povezave so na voljo na www.sparkfun.com.

S sklenine odstranite sklenino z 1/4 'dolžine 6,75 žice 18AWG in jo vstavite v luknjo za izdelavo prototipov tik ob RF Link Rx Pin 8 (antena). Ko vstavite v luknjo, upognite odstranjeni konec tako, da bo stik z RF Link Rx Pin 8 in ga spajkajte.

Programirajte Arduino Uno s skico v naslednjem koraku. Po ponastavitvi ali vklopu bo zelena LED -lučka dvakrat utripala 0,5 sekunde. Po prejemu brezžičnega paketa s 434-MHz senzorske plasti zelena LED utripa ~ 0,5 s.

5. korak: Brezžična programska oprema Bridge

Programska oprema Wireless Bridge je priložena temu koraku in je dobro komentirana.