Novi bežični IOT senzorski sloj za kućni sustav za nadzor okoliša: 5 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:35

Ovaj Instructable opisuje jeftiniji, bežični IOT senzorski sloj s baterijskim napajanjem za moj raniji Instructable: LoRa IOT kućni sustav za nadzor okoliša. Ako već niste pogledali ovaj raniji Instructable, preporučujem da pročitate uvod za pregled mogućnosti sustava koje su sada proširene na ovaj novi sloj senzora.

Originalni LoRa IOT sustav za nadzor okoliša kod kuće postigao je ciljeve koje sam postavio objavljujući u travnju 2017. Međutim, nakon što sam nekoliko mjeseci koristio sustav nadzora za praćenje temperature i vlažnosti na svakom katu kuće, želio sam dodati još 11 senzora na posebno osjetljivim mjestima u kući; uključujući, šest senzora strateški postavljenih u podrumu, senzore u svakoj kupaonici i senzor u potkrovlju, rublju i kuhinji.

Umjesto da dodam više senzora temeljenih na LoRa-i iz ranijih Instructable-a, koji su pomalo skupi i napajaju se putem AC adaptera, odlučio sam dodati sloj jeftinijih senzora na baterije pomoću 434-MHz RF Link odašiljača. Kako bih zadržao kompatibilnost s postojećim LoRa IOT kućnim sustavom za nadzor okoliša, dodao sam bežični most za primanje paketa od 434-MHz i njihovu ponovnu prijenos kao LoRa pakete na 915-MHz.

Novi senzorski sloj sastoji se od sljedećih podsustava:

1. Bežični daljinski upravljači od 434 MHz - senzori temperature i vlažnosti na baterije
2. Bežični most - prima pakete od 434 MHz i ponovno ih prenosi kao LoRa pakete.

Bežični daljinski upravljači od 434 MHz koriste manju snagu prijenosa i manje robusne protokole u usporedbi s LoRa radijima, pa je mjesto bežičnog mosta u kući odabrano kako bi se osigurala pouzdana komunikacija sa svim bežičnim daljinskim upravljačima od 434 MHz. Korištenje bežičnog mosta omogućuje optimizaciju komunikacije s bežičnim daljinskim upravljačem od 434 MHz bez ikakvih ograničenja na mjestu gdje se nalazi LoRa IOT pristupnik.

Bežični daljinski upravljači i bežični most od 434 MHz izgrađeni su pomoću lako dostupnih hardverskih modula i nekoliko pojedinačnih komponenti. Dijelovi se mogu nabaviti od Adafruit, Sparkfun i Digikey; u mnogim slučajevima dijelovi Adafruit i Sparkfun dostupni su i od Digikey -a. Za sastavljanje hardvera potrebne su kompetentne vještine lemljenja, posebice ožičenje od točke do točke bežičnog daljinskog upravljača od 434 MHz. Arduino kôd dobro je komentiran radi razumijevanja i omogućavanja lakog proširenja funkcionalnosti.

Ciljevi ovog projekta uključivali su sljedeće:

• Pronađite jeftiniju bežičnu tehnologiju prikladnu za kućna okruženja.
• Razvijte bežični senzor na baterije koji može raditi nekoliko godina na jednom setu baterija.
• Ne zahtijevaju nikakve izmjene na hardveru ili softveru LoRa IOT Gateway -a iz mog ranijeg Instructable -a.

Ukupna cijena dijelova za bežični daljinski upravljač od 434 MHz, isključujući baterije 3xAA, iznosi 25 USD, od čega SHT31-D senzor temperature i vlage čini više od polovice (14 USD).

Kao i kod daljinskih upravljača LoRa s mojih ranijih instrukcija, bežični daljinski upravljači na 434 MHz bilježe očitanja temperature i vlažnosti i javljaju se na LoRa IOT pristupnik, putem bežičnog mosta, svakih 10 minuta. Jedanaest bežičnih daljinskih upravljača od 434 MHz pušteno je u rad u prosincu 2017. pomoću 3 x AA baterije koje nominalno osiguravaju 4,5V. Očitavanja akumulatora s jedanaest senzora u prosincu 2017. kretala su se od 4,57 V do 4,71 V, šesnaest mjeseci kasnije u svibnju 2019. Očitavanja baterija kreću se od 4,36 V do 4,55 V. Korištenje dijelova sa širokim rasponom radnog napona trebalo bi osigurati rad senzora još godinu ili više, pod uvjetom da se održi pouzdanost RF veze jer se snaga prijenosa smanjuje s nižim naponima baterije.

Pouzdanost senzorskog sloja od 434 MHz bila je izvrsna u mojem kućanstvu. Novi senzorski sloj raspoređen je na 4, 200 SqFt gotovog prostora i 1, 800 SqFt nedovršenog podrumskog prostora. Senzori su odvojeni od bežičnog mosta kombinacijom 2 - 3 unutarnja zida i poda/stropa. LoRa IOT pristupnik s mog ranijeg Instructable -a šalje SMS upozorenje ako se komunikacija sa senzorom izgubi na više od 60 minuta (6 propuštenih desetominutnih izvješća). Jedan senzor, na podu u kutu na krajnjem kraju podruma iza naslaganih kutija, povremeno će izazvati upozorenje o izgubljenom kontaktu, međutim, u svim se slučajevima komunikacija sa senzorom ponovno uspostavlja bez ikakve intervencije.

Hvala vam što ste posjetili ovaj vodič, a za dodatne informacije pogledajte sljedeće korake.

1. Dizajn bežičnog senzora na baterije
2. 434-MHz bežični daljinski hardver
3. 434-MHz bežični daljinski softver
4. Bežični hardverski most
5. Softver za bežični most

Korak 1: Dizajn bežičnog senzora na baterije

Dizajn bežičnog daljinskog upravljača od 434 MHz koristi sljedeće dijelove:

• ATtiny85 8-bitni AVR mikrokontroler
• Sensirion SHT31 -D - ploča za probijanje osjetnika temperature i vlage
• Sparkfun 434-MHz RF Link odašiljač
• 10K ohmski otpornik

Jedna od prvih odluka o projektiranju bila je izbjegavanje uređaja koji zahtijevaju regulirane 3.3V ili 5V i odabir dijelova koji rade u širokom rasponu napona. Time se uklanja potreba za regulatorima napona koji su rasipači energije u izvedbi na baterije, te se produljuje radni vijek senzora jer će oni nastaviti s duljim funkcioniranjem jer napon baterije opada s vremenom. Rasponi radnog napona za odabrane dijelove su sljedeći:

• ATtiny85: 2.7V do 5.5V
• SHT31-D: 2,4 V do 5,5 V
• RF veza Tx: 1,5V do 12V

Omogućavajući određenu marginu, bežični daljinski upravljači od 434 MHz trebali bi funkcionalno raditi do napona baterije od 3 V. Kao što je već napomenuto, ostaje samo vidjeti koliko se dobro održava pouzdanost RF veze jer se snaga prijenosa smanjuje s nižim naponima baterije.

Donesena je odluka o korištenju 3 x AA baterija za osiguravanje nominalnog početnog napona od 4,5V. Nakon 16 mjeseci rada, najniži izmjereni napon baterije je 4,36V.

ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) koristi se za držanje bežičnog daljinskog upravljača od 434 MHz u načinu mirovanja većinu vremena. ATtiny85 se budi WDT -om svakih 8 sekundi kako bi se povećao brojač od 10 minuta; nakon postizanja intervala od 10 minuta, vrši se mjerenje i prijenos paketa podataka.

Kako bi se dodatno smanjila potrošnja energije, SHT31-D i RF Link odašiljač napajaju se iz digitalnog I/O priključka na priključku ATtiny85 konfiguriranog kao izlaz. Napajanje se primjenjuje kada je U/I pin postavljen na visoko (1), a uklanja se kada je U/I pin na niskom položaju (0). Putem softvera napajanje se na ove periferne uređaje primjenjuje samo svakih 10 minuta u trajanju od 1 - 2 sekunde dok se mjerenja vrše i prenose. Za opis povezanog softvera pogledajte 434-MHz bežični daljinski softver.

Jedina druga komponenta koja se koristi u bežičnom daljinskom upravljaču od 434 MHz je otpornik od 10K ohma koji se koristi za povlačenje pin za resetiranje na ATtiny85.

Raniji dizajn koristio je otpornički razdjelnik napona na bateriji kako bi omogućio ADC pin na ATTINY85 za mjerenje napona baterije. Iako mali, ovaj razdjelnik napona stalno je opterećivao bateriju. Neka su istraživanja pokazala trik koji koristi ATtiny85 unutarnji referentni napon u rasponu od 1,1 V za mjerenje Vcc (napon baterije). Postavljanjem referentnog napona ADC -a na Vcc i mjerenjem unutarnjeg referentnog napona od 1,1 V moguće je riješiti problem Vcc. Interni referentni napon od 1,1V ATtiny85 konstantan je sve dok je Vcc> 3V. Za opis povezanog softvera pogledajte 434-MHz bežični daljinski softver.

Komunikacija između ATtiny85 i SHT31-D odvija se putem I2C sabirnice. Adafruit SHT31-D ploča za razbijanje uključuje otpornike za podizanje za sabirnicu I2C.

Komunikacija između ATtiny85 i odašiljača RF veze odvija se putem digitalnog I/O pina konfiguriranog kao izlaz. RadioHead Packet Radio knjižnica RH_ASK koristi se za On-Off Key (OOK / ASK) RF Link odašiljača putem ovog digitalnog I / O pina.

Korak 2: Bežični daljinski hardver od 434 MHz

Popis dijelova:

1 x Adafruit 1/4 dimenzijska ploča, Digikey PN 1528-1101-ND

1 x držač baterije 3 x AA ćelije, Digikey PN BC3AAW-ND

1 x Adapruit Sensiron SHT31-D probojna ploča, Digikey PN 1528-1540-ND

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

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

1 x 8-pinska DIP utičnica, Digikey PN AE10011-ND

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

6,75 inča / 17 cm duljine 18AWG emajlirane bakrene žice

1 x komad dvostrana pjenasta traka

18 / 45 cm žica za omatanje žice

Utičnica se koristi za ATtiny85 jer programiranje u krugu nije podržano.

Izbojna ploča SHT31-D, odašiljač RF veze, 8-pinska DIP utičnica i antenska žica lemljeni su na matičnoj ploči kao što je prikazano na gornjoj fotografiji. Uklonite emajl s 1/4 antenske žice 18AWG prije lemljenja na ploču.

Otpornik od 10K ohma lemljen je na ploči između pinova 1 i 8 8-pinske DIP utičnice.

Žica za omatanje žice lemljena je na stražnjoj strani ploče za izradu veza između komponenti u skladu sa shematskim dijagramom bežičnog daljinskog upravljača prikazanim u prethodnom koraku.

Pozitivni i negativni vodiči iz držača baterije lemljeni su na jedan skup sabirnica "+" i "-" na matičnoj ploči.

Bežični daljinski upravljač od 434 MHz testiran je s bežičnim mostom i LoRa IOT pristupnikom. Bežični daljinski upravljač od 434 MHz odmah će poslati paket svaki put kad umetnete baterije, a nakon toga svakih ~ 10 minuta. Nakon prijema bežičnog paketa sa sloja senzora od 434 MHz, zelena LED dioda na bežičnom mostu treperi ~ 0,5 s. LoRa IOT Gateway bi trebao prikazati naziv postaje, temperaturu i vlažnost ako je na pristupniku dodijeljen broj bežične daljinske postaje od 434 MHz.

Nakon što se bežični daljinski upravljač dobro testira s programiranim ATtiny85, komad dvostrane pjenaste trake, izrezane na istu veličinu kao i matična ploča, koristi se za pričvršćivanje gotove ploče na držač baterije.

Korak 3: Softver za bežično daljinsko upravljanje na 434 MHz

Uz ovaj korak priložen je softver bežičnog daljinskog upravljača od 434 MHz koji je dobro komentiran.

Programirao sam mikrokontrolere ATtiny85 pomoću Sparkfun Tiny AVR programatora i Arduino IDE -a. Sparkfun ima opsežan vodič o tome kako postaviti upravljačke programe i sl. Te kako natjerati programera da radi s Arduino IDE -om.

Dodao sam ZIF (Zero Insertion Force) utičnicu Tiny AVR programatoru kako bih olakšao dodavanje i uklanjanje čipova iz programatora.

Korak 4: Bežični hardverski most

Popis dijelova:

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 primopredajnik (915-MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

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

1 x 8-pinska DIP utičnica, Digikey PN AE10011-ND

6,75 inča / 17 cm duljine 18AWG emajlirane bakrene žice

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

24 / 61cm žica za omatanje žice

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

1 x 5V 1A USB priključak za napajanje, Adafruit PID 501

Sastavite štit za izradu prototipova prema uputama na Adafruit.com.

Sastavite primopredajnu ploču RFM95W LoRa prema uputama na Adafruit.com. Za antenu se koristi žica 18AWG duljine 3,25 " / 8,5 cm i lemljena je izravno na ploču primopredajnika nakon skidanja 1/4" cakline s žice.

Pažljivo prerežite 8-polnu DIP utičnicu na pola duljine kako biste stvorili dva seta 4-polnih SIP utičnica.

Lemite dvije 4-pinske SIP utičnice na štit prototipa, kao što je prikazano. Oni će se koristiti za priključivanje prijemnika RF veze, stoga prije lemljenja provjerite jesu li u odgovarajućim rupama kako bi se slagali s odašiljačem RF veze.

Lemite RFM9W LoRa primopredajnu ploču na štit za izradu prototipova kao što je prikazano.

Sljedeće veze su izvedene između Arduino Uno i primopredajnika RFM9W pomoću žice za omatanje žice na gornjoj strani ploče za izradu prototipa:

RFM9W G0 Arduino digitalni I/O pin 2, biblioteka RadioHead koristi prekid 0 na ovom pinu

RFM9W SCK Arduino ICSP zaglavlje, pin 3

RFM9W MISO Arduino ICSP zaglavlje, pin 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP zaglavlje, pin 4

RFM9W CS Arduino digitalni I/O pin 8

RFM9W RST Arduino digitalni I/O pin 9

Sljedeće su veze izvedene s donje strane ploče za izradu prototipa:

RFM9W VIN Matična ploča 5V sabirnica

RFM9W GND sabirnica za uzemljenje ploče (GND)

RF Link Rx Pin 1 (GND) Sabirnica za uzemljenje ploče za izradu prototipova (GND)

RF veza Rx pin 2 (izlaz podataka) Arduino digitalni I/O pin 6

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Matična ploča 5V sabirnica

Proto Board Green LED Arduino Digital I/O Pin 7

Informacije o pin -u za prijemnik RF veze dostupne su na www.sparkfun.com.

Skinite emajl s 1/4 'žice 18AWG duljine 6,75 i umetnite je u otvor za ploču za izradu prototipa neposredno uz RF Link Rx Pin 8 (antena). Jednom umetnut u rupu savijte ogoljeni kraj tako da kontaktirajte RF Link Rx Pin 8 i lemite ga na mjesto.

Programirajte Arduino Uno sa skicom navedenom u sljedećem koraku. Nakon resetiranja ili uključivanja, zelena LED lampica će bljeskati dva puta tijekom 0,5 s. Nakon prijema bežičnog paketa sa senzorskog sloja od 434 MHz, zelena LED dioda treperi ~ 0,5 s.

Korak 5: Softver za bežični most

Softver Wireless Bridge priložen je uz ovaj korak i dobro je komentiran.