Үйдегі қоршаған ортаны бақылау жүйесі үшін жаңа сымсыз IOT сенсорлық қабаты: 5 қадам (суреттермен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:25

Бұл нұсқаулық менің бұрынғы нұсқаулық: LoRa IOT үй ортасының экологиялық бақылау жүйесі үшін арзан, батареямен жұмыс істейтін сымсыз IOT сенсор қабатын сипаттайды. Егер сіз осы нұсқаулықты бұрын көрмеген болсаңыз, мен жүйенің мүмкіндіктерін шолу үшін кіріспені оқып шығуды ұсынамын, ол енді осы жаңа сенсорлық қабатқа дейін кеңейтілді.

Түпнұсқа LoRa IOT үй экологиялық мониторингі жүйесі мен 2017 жылдың сәуірінде жарияланған кезде қойған мақсаттарыма қол жеткізді. Алайда, үйдің әр қабатындағы температура мен ылғалдылықты бақылау үшін бірнеше ай бойы бақылау жүйесін қолданғаннан кейін мен үйдегі осал жерлерге тағы 11 сенсор қосыңыз; жертөледе стратегиялық орналастырылған алты сенсор, әр ванна бөлмесіндегі сенсорлар, шатырда, кір мен асханада сенсор.

Бұрынғы нұсқаулықтан біршама қымбат және айнымалы ток адаптерлері арқылы жұмыс істейтін LoRa негізіндегі сенсорларды қосудың орнына, мен 434 МГц жиіліктегі RF байланыс таратқыштарын қолдана отырып, арзанырақ аккумуляторлы датчиктерді қосуды шештім. Қолданыстағы LoRa IOT үй ортасының экологиялық мониторинг жүйесімен үйлесімділікті сақтау үшін мен 434 МГц пакеттерді қабылдайтын және оларды 915 МГц жиіліктегі LoRa пакеттері ретінде қайта жіберетін сымсыз көпірді қостым.

Жаңа сенсорлық қабат келесі ішкі жүйелерден тұрады:

1. 434 -МГц сымсыз қашықтан басқару пульті - батареямен жұмыс істейтін температура мен ылғалдылық сенсорлары
2. Сымсыз көпір - 434 МГц пакеттерді қабылдайды және оларды LoRa пакеттері ретінде қайта жібереді.

434 МГц сымсыз қашықтан басқару пульті LoRa радиобайланысымен салыстырғанда тарату қуаты төмен және берік протоколдарды пайдаланады, сондықтан 434 МГц сымсыз қашықтан басқару пультімен сенімді байланысты қамтамасыз ету үшін үйдегі сымсыз көпірдің орны таңдалады. Сымсыз көпірді қолдану 434 МГц сымсыз қашықтан басқару пультімен байланысты LoRa IOT шлюзінің орналасқан жеріне ешқандай шектеусіз оңтайландыруға мүмкіндік береді.

434 МГц сымсыз қашықтан басқару пульті мен сымсыз көпір қол жетімді аппараттық модульдер мен бірнеше жеке компоненттердің көмегімен салынған. Бөлшектерді Adafruit, Sparkfun және Digikey -ден алуға болады; көптеген жағдайларда Adafruit және Sparkfun бөліктері Digikey -ден де қол жетімді. Аппараттық құралдарды, атап айтқанда 434 МГц сымсыз қашықтан басқару пультінің нүктелік сымдарын жинау үшін білікті дәнекерлеу дағдылары қажет. Arduino коды түсінікті болу үшін және функционалдылықты оңай кеңейту үшін жақсы түсіндірілген.

Бұл жобаның міндеттеріне мыналар кірді:

• Тұрмыстық ортаға қолайлы сымсыз төмен технологияны табыңыз.
• Бір батареялар жиынтығында бірнеше жыл жұмыс істей алатын батареямен жұмыс істейтін сымсыз сенсорды жасаңыз.
• Бұрынғы нұсқаулығымнан LoRa IOT Gateway аппараттық құралына немесе бағдарламалық жасақтамаға өзгеріс енгізуді талап етпеңіз.

3xAA батареясын қоспағанда, 434 МГц сымсыз қашықтан басқару пультінің жалпы құны 25 доллар, оның ішінде SHT31-D температура мен ылғалдылық сенсорының жартысынан көбі ($ 14).

Менің бұрынғы нұсқаулығымның LoRa қашықтан басқару пульті сияқты, 434 МГц сымсыз қашықтан басқару пульті температура мен ылғалдылық көрсеткіштерін қабылдайды және сымсыз көпір арқылы LoRa IOT шлюзіне әр 10 минут сайын хабарлайды. 434 МГц жиіліктегі он бір сымсыз қашықтан басқару пульті 2017 жылы желтоқсанда 3 В АА номиналды түрде 4,5 В кернеуін беретін батареяларды қолдана отырып іске қосылды. 2017 жылдың желтоқсанындағы он бір сенсордан алынған батарея көрсеткіштері 4.57 В -тан 4.71 В -қа дейін, он алты айдан кейін 2019 жылдың мамырында батарея көрсеткіштері 4.36 В -тан 4.55 В -қа дейін өзгерді. Жұмыс кернеуінің кең диапазоны бар бөлшектерді қолдану датчиктердің жұмыс істеуін тағы бір жыл немесе одан да көп уақытқа қамтамасыз етуі керек, бұл ретте РЖ байланыс сенімділігін сақтаған жағдайда, батареяның төмен кернеуінде өткізу қуаты төмендейді.

434 МГц сенсорлық қабаттың сенімділігі менің үй жағдайымда жақсы болды. Датчиктің жаңа қабаты 4 200 шаршы метр аяқталған кеңістікте және 1 800 шаршы метр аяқталмаған жертөле кеңістігінде орналастырылған. Датчиктер сымсыз көпірден 2 - 3 ішкі қабырғалар мен еден/төбелердің тіркесімі арқылы бөлінген. LoRa IOT шлюзі менің бұрынғы нұсқаулығымнан сенсормен байланыс 60 минуттан артық үзілген жағдайда SMS ескертуін жібереді (6 он минуттық жіберілген есеп). Жертөленің ең шетіндегі бұрыштағы еденде орналасқан бір сенсор, анда-санда байланыстың жоғалуы туралы ескерту береді, алайда барлық жағдайда сенсормен байланыс ешбір араласусыз қайта қалпына келеді.

Бұл нұсқаулыққа барғаныңыз үшін рахмет және қосымша ақпарат алу үшін келесі қадамдарды қараңыз.

1. Батареямен жұмыс істейтін сымсыз сенсордың дизайны
2. 434-МГц сымсыз қашықтан басқару құралы
3. 434-МГц сымсыз қашықтан басқару бағдарламасы
4. Сымсыз көпір жабдықтары
5. Сымсыз көпірге арналған бағдарламалық қамтамасыз ету

1 -қадам: Батареямен жұмыс істейтін сымсыз сенсордың дизайны

434 МГц сымсыз қашықтан басқару пультінің дизайны келесі бөліктерді қолданады:

• ATtiny85 8 биттік AVR микроконтроллері
• Sensirion SHT31 -D - Температура мен ылғалдылық сенсорының үзіліс тақтасы
• Sparkfun 434-МГц жиіліктегі RF байланыс таратқышы
• 10K Ом резисторы

Жобалаудың алғашқы шешімдерінің бірі - реттелетін 3.3В немесе 5В құрылғыларды болдырмау және кернеудің кең диапазонында жұмыс істейтін бөлшектерді таңдау. Бұл аккумулятормен жұмыс істейтін конструкциядағы қуат ысыраптары болып табылатын кернеу реттегіштерінің қажеттілігін жояды және датчиктердің қызмет ету мерзімін ұзартады, себебі олар уақыт өте келе батарея кернеуі төмендеген сайын ұзақ жұмыс жасайды. Таңдалған бөлшектер үшін жұмыс кернеуінің диапазоны келесідей:

• ATtiny85: 2,7 В -тан 5,5 В -қа дейін
• SHT31-D: 2,4 В-тан 5,5 В-қа дейін
• RF байланысы Tx: 1,5 В -тан 12 В -қа дейін

Кейбір маржаларға рұқсат беру үшін 434 МГц сымсыз қашықтан басқару пульті 3В батарея кернеуіне дейін жұмыс істеуі керек. Жоғарыда айтылғандай, РФ байланысының сенімділігі қаншалықты жақсы сақталатынын көру керек, өйткені батареяның төмен кернеуінде өткізу қуаты төмендейді.

4,5 В номиналды бастапқы кернеуді қамтамасыз ету үшін 3 x АА батареяларын қолдану туралы шешім қабылданды. 16 ай жұмыс істегеннен кейін батареяның ең төменгі кернеуі 4,36 В құрайды.

ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) 434 МГц сымсыз қашықтан басқару пультін көп жағдайда ұйқы режимінде ұстау үшін қолданылады. ATtiny85 WDT әр 8 секунд сайын оятады, 10 минуттық есептегішті ұлғайтады; 10 минуттық интервалға жеткенде өлшеу алынады және деректер пакеті жіберіледі.

Қуат тұтынуды одан әрі азайту үшін SHT31-D және RF байланыс таратқышы ATtiny85-те шығыс ретінде конфигурацияланған цифрлық енгізу-шығару порт түйреуішінен қуат алады. Қуат енгізу -шығару түйреуіші жоғары (1) қозғалысқа келтірілгенде қолданылады, ал кіріс -шығыс түйіні төмен (0) күйінде болғанда ажыратылады. Бағдарламалық қамтамасыз ету арқылы бұл перифериялық қондырғыларға әр 10 минут сайын 1-2 секунд ішінде ғана өлшеу жүргізіліп, таратылады. Қатысты бағдарламалық қамтамасыз етуді сипаттау үшін 434-МГц сымсыз қашықтан басқару бағдарламалық құралын қараңыз.

434 МГц сымсыз қашықтан басқару пультінде қолданылатын басқа жалғыз компонент-ATtiny85 құрылғысында қалпына келтіру түйреуішін тарту үшін қолданылатын 10 К ом резисторы.

Бұрынғы дизайн батарея кернеуін өлшеу үшін ATTINY85 ADC түйреуішін қосу үшін аккумулятордағы резистивті кернеу бөлгішті қолданды. Кішкене болса да, бұл кернеу бөлгіш батареяға тұрақты жүктеме берді. Кейбір зерттеулер Vtc (батарея кернеуі) өлшеу үшін ATtiny85 1.1V диапазонының ішкі саңылауының анықтамалық кернеуін қолданатын амал тапты. ADC эталондық кернеуін Vcc мәніне қойып, ішкі 1.1В кернеу кернеуін өлшей отырып, Vcc үшін шешуге болады. ATtiny85 ішкі 1.1В тірек кернеуі Vcc> 3V болғанша тұрақты болады. Қатысты бағдарламалық қамтамасыз етуді сипаттау үшін 434-МГц сымсыз қашықтан басқару бағдарламалық құралын қараңыз.

ATtiny85 пен SHT31-D арасындағы байланыс I2C шинасы арқылы жүзеге асады. Adafruit SHT31-D үзіліс тақтасында I2C шинасы үшін тартылатын резисторлар бар.

ATtiny85 пен RF сілтеме таратқышы арасындағы байланыс шығыс ретінде конфигурацияланған цифрлық енгізу -шығару штыры арқылы жүзеге асады. RadioHead пакеттік радио кітапханасы RH_ASK осы сандық енгізу-шығару штыры арқылы RF байланысының таратқышын қосу-өшіру кілтіне (OOK / ASK) қолданылады.

2-қадам: 434-МГц сымсыз қашықтан басқару құралы

Бөлшектер тізімі:

1 x Adafruit 1/4 өлшемді тақта, Digikey PN 1528-1101-ND

1 x Батарея ұстағыш 3 x AA ұяшықтары, Digikey PN BC3AAW-ND

1 x Adafruit Sensiron SHT31-D үзіліс тақтасы, Digikey PN 1528-1540-ND

1 x Sparkfun RF байланыс таратқышы (434-МГц), Digikey PN 1568-1175-ND

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

1 x 8 істікшелі DIP ұясы, Digikey PN AE10011-ND

1 x 10K Ом, 1/8W резисторы, Digikey PN CF18JT10K0CT-ND

6.75 дюйм / 17см ұзындығы 18AWG эмальданған мыс сым

1 дана екі жақты көбік таспасы

18 дюйм / 45 см сымды орау сымы

ATtiny85 үшін розетка қолданылады, себебі тізбектегі бағдарламалауға қолдау көрсетілмейді.

SHT31-D үзіліс тақтасы, RF байланыс таратқышы, 8 істікшелі DIP розеткасы мен антенна сымы жоғарыдағы суретте көрсетілгендей тақтаға дәнекерленген. 18AWG антенна сымының 1/4 дюймінен эмальды нанға дәнекерлеу алдында алып тастаңыз.

10К Ом резисторы 8 істікшелі DIP ұясының 1 және 8 түйреуіштері арасындағы тақтаға дәнекерленген.

Сымды орау сымы алдыңғы қадамда көрсетілген сымсыз қашықтан басқару пультінің схемасына сәйкес компоненттер арасында байланыс орнату үшін нан тақтасының артқы жағына дәнекерленген.

Батарея ұстағышының оң және теріс сымдары сәйкесінше нан тақтасында «+» және «-» шиналарының бір жиынтығына дәнекерленген.

434-МГц сымсыз қашықтан басқару пульті сымсыз көпірмен және LoRa IOT шлюзімен тексеріледі. 434 МГц сымсыз қашықтан басқару пульті батареяларды салған сайын және одан кейін әр 10 минут сайын пакетті жібереді. 434 МГц сенсорлық қабатынан сымсыз пакетті алған кезде, сымсыз көпірдегі жасыл жарық диоды ~ 0,5 секунд жыпылықтайды. Егер шлюзде 434 МГц сымсыз қашықтағы станция нөмірі берілген болса, станция атауы, температура мен ылғалдылық LoRa IOT шлюзінде көрсетілуі керек.

Сымсыз қашықтан басқару пульті бағдарламаланған ATtiny85 көмегімен жақсы тексерілгеннен кейін, толтырылған нан тақтасын батарея ұстағышына бекіту үшін нан тақтасының өлшемімен қиылған екі жақты көбік таспасының бір бөлігі қолданылады.

3-қадам: 434-МГц сымсыз қашықтан басқару бағдарламасы

Бұл қадамда 434 МГц сымсыз қашықтан басқару бағдарламасы қосылған және жақсы түсіндірілген.

Мен ATtiny85 микроконтроллерлерін Sparkfun Tiny AVR бағдарламашысы мен Arduino IDE көмегімен бағдарламаладым. Sparkfun -да драйверлерді қалай орнату керектігі және бағдарламашыны Arduino IDE -мен жұмыс жасау туралы кең нұсқаулық бар.

Мен бағдарламалаушыдан чиптерді қосуды және жоюды жеңілдету үшін Tiny AVR бағдарламашысына ZIF (Zero Insertion Force) ұясын қостым.

4 -қадам: сымсыз көпір жабдықтары

Бөлшектер тізімі:

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 радиоқабылдағыш тақтасы (915-МГц), Digikey PN 1528-1667-ND

1 x Sparkfun RF байланыс қабылдағышы (434-МГц), Digikey PN 1568-1173-ND

1 x 8 істікшелі DIP ұясы, Digikey PN AE10011-ND

6.75 дюйм / 17см ұзындығы 18AWG эмальданған мыс сым

3,25 « / 8,5 см ұзындығы 18AWG эмальданған мыс сым

24 дюйм / 61 см сымды орау сымы

1 x USB кабелі A / MicroB, 3 фут, Adafruit PID 592

1 x 5В 1А USB порты қуат көзі, Adafruit PID 501

Adafruit.com сайтындағы нұсқауларға сәйкес прототиптік қалқаны жинаңыз.

Adafruit.com сайтындағы нұсқауларға сәйкес RFM95W LoRa қабылдағыш тақтасын жинаңыз. Ұзындығы 3,25 дюйм болатын 8AWG ұзындығы 18AWG сым антенна үшін қолданылады және 1/4 дюймдік эмальды сымнан алып тастағаннан кейін тікелей қабылдағыш тақтасына дәнекерленген.

4 істікшелі SIP розеткалардың екі жиынтығын жасау үшін 8 істікшелі DIP розеткасын ұзындығымен мұқият кесіңіз.

Көрсетілгендей, екі 4 істікшелі SIP ұяшығын прототиптеу қалқанына дәнекерлеңіз. Олар RF байланыс қабылдағышын қосу үшін пайдаланылады, сондықтан оларды дәнекерлеу алдында RF байланысының таратқышымен сәйкес келетін тесіктерде екеніне көз жеткізіңіз.

RFM9W LoRa трансиверлік тақтасын суреттегідей прототиптеу қалқанына дәнекерлеңіз.

Келесі байланыстар Arduino Uno мен RFM9W трансиверлік тақтасы арасында прототиптеу тақтасының үстіңгі жағындағы сымды орайтын сымды қолдана отырып жүзеге асырылады:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, RadioHead кітапханасы осы түйреуіште 0 үзілісін қолданады

RFM9W SCK Arduino ICSP тақырыбы, түйреуіш 3

RFM9W MISO Arduino ICSP тақырыбы, түйреуіш 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP тақырыбы, түйреуіш 4

RFM9W CS Arduino Digital I/O Pin 8

RFM9W RST Arduino Digital I/O Pin 9

Прототиптік тақтаның төменгі жағында келесі байланыстар орнатылады:

RFM9W VIN прототиптеу тақтасы 5В шинасы

RFM9W GND прототиптік тақтасы (GND) шинасы

RF Link Rx Pin 1 (GND) прототиптеу тақтасының жерге (GND) шинасы

RF Link Rx Pin 2 (Деректер шығысы) Arduino Digital I/O Pin 6

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) протоколдау тақтасы 5В шинасы

Proto Board Green LED Arduino Digital I/O Pin 7

РЖ байланысы қабылдағышының пин -ақпараты www.sparkfun.com сайтында қол жетімді.

Эмальды ұзындығы 6,75 дюймдік 18AWG сымының 1/4 бөлігінен алып тастаңыз және оны RF Link Rx Pin 8 (Антенна) жанындағы прототиптеу тақтасының саңылауына салыңыз. Тесікке енгізгеннен кейін, оның ұшын бүгіңіз. RF Link Rx Pin 8 -мен байланысыңыз және оны орнына дәнекерлеңіз.

Arduino Uno бағдарламасын келесі қадамда берілген нобаймен бағдарламалаңыз. Қалпына келтіру немесе қосу кезінде жасыл жарық диоды 0,5 секунд бойы екі рет жыпылықтайды. 434 МГц сенсорлық қабатынан сымсыз пакетті алған кезде, жасыл жарық диоды 0,5 секунд жыпылықтайды.

5 -қадам: сымсыз көпірге арналған бағдарламалық қамтамасыз ету

Wireless Bridge бағдарламалық жасақтамасы осы қадаммен бекітілген және жақсы түсіндірілген.