Uusi langaton IOT -anturikerros kodin ympäristön seurantajärjestelmään: 5 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:01

Tässä ohjeessa kuvataan halvempaa, paristokäyttöistä langatonta IOT-anturikerrosta aikaisemmalle Instructable: LoRa IOT Home Environmental Monitoring System -järjestelmälle. Jos et ole jo katsonut tätä aikaisempaa Instructable -ohjelmaa, suosittelen lukemaan johdannon, jotta näet yleiskuvan järjestelmän ominaisuuksista, jotka on nyt laajennettu tähän uuteen anturikerrokseen.

Alkuperäinen LoRa IOT Home -ympäristöseurantajärjestelmä saavutti tavoitteet, jotka olin asettanut, kun se julkaistiin huhtikuussa 2017. Kuitenkin, kun olin käyttänyt seurantajärjestelmää useita kuukausia lämpötilan ja kosteuden seurantaan talon jokaisessa kerroksessa, halusin lisää 11 anturia talon erityisen haavoittuviin paikkoihin; mukaan lukien kuusi anturia, jotka on sijoitettu strategisesti kellariin, anturit kussakin kylpyhuoneessa ja anturi ullakolla, pesula ja keittiö.

Sen sijaan, että lisäisin aiempiin Instructable-laitteisiin lisää LoRa-pohjaisia antureita, jotka ovat hieman kalliita ja saavat virtaa verkkolaitteiden kautta, päätin lisätä kerroksen halvempia, paristokäyttöisiä antureita käyttäen 434 MHz: n RF-linkilähettimiä. Yhteensopivuuden ylläpitämiseksi nykyisen LoRa IOT Home -seurantajärjestelmän kanssa lisäsin langattoman sillan vastaanottamaan 434 MHz: n paketit ja lähettämään ne uudelleen LoRa-paketeina 915 MHz: n taajuudella.

Uusi anturikerros koostuu seuraavista osajärjestelmistä:

1. 434 MHz: n langattomat kaukosäätimet - paristokäyttöiset lämpötila- ja kosteusanturit
2. Wireless Bridge - Vastaanottaa 434 MHz: n paketteja ja lähettää ne uudelleen LoRa -paketeina.

434 MHz: n langattomat kauko-ohjaimet käyttävät pienempää lähetystehoa ja vähemmän vankkoja protokollia verrattuna LoRa-radioihin, joten kodin Wireless Bridge -sijainti on valittu varmistamaan luotettava tiedonsiirto kaikkien 434 MHz: n langattomien kaukosäätimien kanssa. Wireless Bridge -sovelluksen avulla kommunikointi 434 MHz: n langattomien kaukosäätimien kanssa voidaan optimoida rajoittamatta LoRa IOT -yhdyskäytävän sijaintia.

434 MHz: n langattomat kaukosäätimet ja langaton silta on rakennettu helposti saatavilla olevista laitteistomoduuleista ja muutamista yksittäisistä komponenteista. Osia voi hankkia Adafruitilta, Sparkfunilta ja Digikeyltä; monissa tapauksissa Adafruit- ja Sparkfun -osia on saatavana myös Digikeyltä. Laitteiston kokoamiseen tarvitaan erityisesti päteviä juotostaitoja, erityisesti 434 MHz: n langattomien kaukosäätimien pisteestä pisteeseen johdotus. Arduino -koodi on hyvin kommentoitu ymmärryksen ja toimintojen helpon laajentamisen mahdollistamiseksi.

Tämän hankkeen tavoitteet olivat seuraavat:

• Löydä edullisempi langaton tekniikka, joka soveltuu kotitalousympäristöihin.
• Kehitä paristokäyttöinen langaton anturi, joka voi toimia useita vuosia yhdellä paristosarjalla.
• Älä edellytä muutoksia LoRa IOT Gateway -laitteistoon tai -ohjelmistoon aiemmasta Instructable -ohjelmasta.

434 MHz: n langattomien kauko-ohjainten kokonaiskustannukset, lukuun ottamatta 3xAA-paristoja, ovat 25 dollaria, josta SHT31-D-lämpötila- ja kosteusanturin osuus on yli puolet (14 dollaria).

Kuten aiemman Instructable-laitteen LoRa-kaukosäätimissä, 434 MHz: n langattomat kaukosäätimet mittaavat lämpötilan ja kosteuden ja raportoivat LoRa IOT -yhdyskäytävälle langattoman sillan kautta 10 minuutin välein. Yksitoista 434 MHz: n langatonta kaukosäädintä otettiin käyttöön joulukuussa 2017 käyttäen 3 x AA-paristoa, joiden nimellisjännite on 4,5 V. Paristolukemat yhdestätoista anturista joulukuussa 2017 vaihtelivat välillä 4,57 V - 4,71 V, kuusitoista kuukautta myöhemmin toukokuussa 2019 akun lukemat vaihtelevat 4,36 V - 4,55 V. Osien, joilla on laaja käyttöjännitealue, käytön pitäisi varmistaa antureiden toiminta vielä vuoden tai pidempään, edellyttäen että RF -linkin luotettavuus säilyy, koska lähetysteho pienenee akun pienemmällä jännitteellä.

434 MHz: n anturikerroksen luotettavuus on ollut kotitalousympäristössäni erinomainen. Uusi anturikerros on sijoitettu 4 200 neliömetrin suuruiseen valmiiseen tilaan ja 1 800 neliömetriin keskeneräiseen kellaritilaan. Anturit on erotettu langattomasta sillasta 2-3 sisäseinän ja lattian/katon yhdistelmällä. LoRa IOT -yhdyskäytävä aiemmasta Instructable -laitteestani lähettää tekstiviesti -ilmoituksen, jos tiedonsiirto katkeaa anturin kanssa yli 60 minuutiksi (6 kymmenen minuutin raporttia). Yksi anturi, lattiassa nurkassa kellarin kaukaisessa päässä pinottujen laatikoiden takana, aiheuttaa silloin tällöin hälytyksen häviämisestä, mutta kaikissa tapauksissa yhteys anturiin palautuu ilman väliintuloa.

Kiitos vierailustasi tässä ohjeessa, ja katso lisätietoja seuraavista vaiheista.

1. Paristokäyttöinen langaton anturi
2. 434 MHz: n langaton etälaitteisto
3. 434 MHz: n langaton etäohjelmisto
4. Langattoman sillan laitteisto
5. Wireless Bridge -ohjelmisto

Vaihe 1: Paristokäyttöisen langattoman anturin suunnittelu

Langattoman 434 MHz: n kauko-ohjaimen suunnittelu sisältää seuraavat osat:

• ATtiny85 8-bittinen AVR-mikrokontrolleri
• Sensirion SHT31 -D - Lämpötila- ja kosteusanturin katkaisulauta
• Sparkfun 434 MHz: n RF-linkkilähetin
• 10K ohmin vastus

Yksi varhaisista suunnittelupäätöksistä oli välttää laitteita, jotka vaativat säänneltyä 3,3 V: n tai 5 V: n valintaa, ja valita osia, jotka toimivat laajalla jännitealueella. Tämä poistaa tarpeen käyttää jännitesäätimiä, jotka ovat virrankuluttajia paristokäyttöisessä rakenteessa, ja pidentää antureiden käyttöikää, koska ne toimivat edelleen pidempään akun jännitteen laskiessa ajan myötä. Valittujen osien käyttöjännitealueet ovat seuraavat:

• ATtiny85: 2.7V - 5.5V
• SHT31-D: 2.4V-5.5V
• RF -linkin lähetys: 1.5V - 12V

Joidenkin marginaalien salliessa 434 MHz: n langattomien kaukosäätimien tulisi toimia toiminnallisesti 3 V: n paristojännitteeseen asti. Kuten jo todettiin, jää vain nähtäväksi, kuinka hyvin RF -linkin luotettavuus säilyy, kun lähetysteho pienenee akun pienemmällä jännitteellä.

Päätettiin käyttää 3 x AA -paristoja, joiden nimellisjännite on 4,5 V. 16 kuukauden käytön jälkeen alin mitattu akun jännite on 4,36 V.

ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) -toimintoa käytetään pitämään 434 MHz: n langaton kaukosäädin lepotilassa suurimman osan ajasta. WDT herättää ATtiny85: n 8 sekunnin välein 10 minuutin laskurin lisäämiseksi; 10 minuutin välein saavutetaan mittaus ja lähetetään datapaketti.

Sähkönkulutuksen minimoimiseksi SHT31-D ja RF Link -lähetin saavat virtaa ATtiny85: n digitaalisesta I/O-porttitapista, joka on konfiguroitu lähtöksi. Virta kytketään, kun I/O -nasta on korkealla (1), ja poistetaan, kun I/O -nasta on alhaalla (0). Ohjelmiston kautta näille oheislaitteille syötetään virtaa vain 10 minuutin välein 1-2 sekunnin ajan mittausten ottamisen ja lähettämisen aikana. Katso 434 MHz: n langaton etäohjelmisto, jos haluat lisätietoja liittyvistä ohjelmistoista.

Ainoa toinen komponentti, jota käytetään 434 MHz: n langattomassa kaukosäätimessä, on 10 K ohmin vastus, jota käytetään vetämään ATtiny85: n Reset-nasta.

Varhaisessa suunnittelussa käytettiin resistiivistä jännitteenjakajaa akun poikki, jotta ATTINY85: n ADC -nasta voisi mitata akun jännitettä. Vaikka tämä jännitteenjakaja on pieni, se kuormitti akkua jatkuvasti. Jotkut tutkimukset osoittivat temppua, joka käyttää ATtiny85: n sisäistä 1,1 V: n kaistaraon vertailujännitettä Vcc: n (akun jännitteen) mittaamiseen. Asettamalla ADC -referenssijännite Vcc: ksi ja mittaamalla sisäisen 1,1 V: n referenssijännitteen, on mahdollista ratkaista Vcc. ATtiny85: n sisäinen 1,1 V: n vertailujännite on vakio niin kauan kuin Vcc> 3 V. Katso 434 MHz: n langaton etäohjelmisto, jos haluat lisätietoja liittyvistä ohjelmistoista.

Tiedonsiirto ATtiny85: n ja SHT31-D: n välillä tapahtuu I2C-väylän kautta. Adafruit SHT31-D -katkolevy sisältää vetovastus I2C-väylälle.

Tiedonsiirto ATtiny85: n ja RF -linkilähettimen välillä tapahtuu digitaalisena I/O -nastana, joka on konfiguroitu lähtöksi. RadioHead-pakettiradiokirjastoa RH_ASK käytetään RF-linkkilähettimen päälle-pois-painikkeeseen (OOK / ASK) tämän digitaalisen I / O-nastan kautta.

Vaihe 2: 434 MHz: n langaton etälaitteisto

Osaluettelo:

1 x Adafruit 1/4 kokoinen leipälauta, Digikey PN 1528-1101-ND

1 x paristopidike 3 x AA-kennoa, Digikey PN BC3AAW-ND

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

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

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

1 x 8-nastainen DIP-liitin, Digikey PN AE10011-ND

1 x 10K ohmia, 1/8 W vastus, Digikey PN CF18JT10K0CT-ND

6,75 / 17 cm 18AWG -emaloidun kuparilangan pituus

1 x kaksipuolinen vaahtoteippi

18 / 45cm langankäärintälanka

ATtiny85: ssä käytetään pistorasiaa, koska piirin sisäistä ohjelmointia ei tueta.

SHT31-D-katkaisukortti, RF-linkilähetin, 8-nastainen DIP-liitäntä ja antennijohto on juotettu leipälevylle yllä olevan kuvan mukaisesti. Poista emali 1/4 18AWG -antennijohdosta ennen juottamista leipälevylle.

10K ohmin vastus on juotettu leipälevylle 8-nastaisen DIP-liitännän nastojen 1 ja 8 väliin.

Langan käärintälanka on juotettu leipälevyn takapuolelle, jotta osat voidaan yhdistää komponenttien välillä edellisessä vaiheessa esitetyn Wireless Remote -kaavion mukaisesti.

Paristopidikkeen positiiviset ja negatiiviset johdot on juotettu yhteen "+"-ja "-" -väyläsarjaan leipälevyllä.

434 MHz: n langaton kaukosäädin on testattu Wireless Bridgen ja LoRa IOT Gatewayn kanssa. 434 MHz: n langaton kaukosäädin lähettää paketin välittömästi aina, kun paristot asetetaan paikalleen, ja sen jälkeen ~ 10 minuutin välein. Kun langaton paketti vastaanotetaan 434 MHz: n anturikerrokselta, Wireless Bridgen vihreä LED-valo vilkkuu ~ 0,5 sekuntia. Aseman nimi, lämpötila ja kosteus tulee näyttää LoRa IOT -yhdyskäytävässä, jos yhdyskäytävässä on 434 MHz: n langattoman etäaseman numero.

Kun langaton kaukosäädin on testattu ohjelmoidulla ATtiny85: llä, palanen kaksipuolista vaahtoteippiä, joka on leikattu samankokoiseksi kuin leipälauta, kiinnitetään valmis leipälauta paristopidikkeeseen.

Vaihe 3: 434 MHz: n langaton etäohjelmisto

434 MHz: n langaton kauko-ohjelmisto on liitetty tähän vaiheeseen ja se on hyvin kommentoitu.

Ohjelmoin ATtiny85 -mikro -ohjaimet Sparkfun Tiny AVR -ohjelmoijalla ja Arduino IDE: llä. Sparkfunilla on laaja opetusohjelma ohjainten ja muiden asetusten määrittämisestä sekä siitä, miten ohjelmoija saadaan toimimaan Arduino IDE: n kanssa.

Lisäsin ZIF (Zero Insertion Force) -liitännän Tiny AVR -ohjelmointilaitteeseen, jotta sirujen lisääminen ja poistaminen ohjelmoijasta on helppoa.

Vaihe 4: Langattoman sillan laitteisto

Osaluettelo:

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 -radiolähetin-vastaanotinkortti (915 MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

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

1 x 8-nastainen DIP-liitin, Digikey PN AE10011-ND

6,75 / 17 cm 18AWG -emaloidun kuparilangan pituus

3,25 / 8,5 cm 18AWG -emaloidun kuparilangan pituus

24 / 61cm langankäärintälanka

1 x USB -kaapeli A / MicroB, 3 jalkaa, Adafruit PID 592

1 x 5V 1A USB -portin virtalähde, Adafruit PID 501

Kokoa prototyyppisuojus Adafruit.com -sivuston ohjeiden mukaisesti.

Kokoa RFM95W LoRa -lähetin -vastaanotinkortti Adafruit.com -sivuston ohjeiden mukaisesti. Antenniin käytetään 8,5 cm: n pituista 3,25 tuuman / 8,5 cm: n johtoa, ja se on juotettu suoraan lähetin -vastaanotinkorttiin sen jälkeen, kun emali on irrotettu johdosta 1/4 tuuman verran.

Leikkaa 8-nastainen DIP-liitin varovasti puoliksi, jotta saat kaksi 4-nastaista SIP-liitäntää.

Juotos kaksi 4-nastaista SIP-liitintä prototyyppikilpeen kuvan mukaisesti. Näitä käytetään RF -linkkivastaanottimen liittämiseen, joten varmista ennen juottamista, että ne ovat oikeissa reikissä RF Link -lähettimen kanssa.

Juotos RFM9W LoRa -lähetin -vastaanotinkortti prototyyppikilpeen kuvan mukaisesti.

Seuraavat liitännät tehdään Arduino Unon ja RFM9W -lähetinvastaanotinkortin välille käyttämällä langankäärintälankaa prototyyppikortin yläosassa:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, RadioHead -kirjasto käyttää keskeytystä 0 tässä nastassa

RFM9W SCK Arduino ICSP -otsikko, nasta 3

RFM9W MISO Arduino ICSP -otsikko, nasta 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP -otsikko, nasta 4

RFM9W CS Arduino Digital I/O -tappi 8

RFM9W RST Arduino Digital I/O -tappi 9

Seuraavat liitännät on tehty prototyyppikortin alaosaan:

RFM9W VIN Prototyping board 5V -väylä

RFM9W GND Prototyping board ground (GND) -väylä

RF Link Rx Pin 1 (GND) Prototyping board ground (GND) -väylä

RF Link Rx Pin 2 (Data Out) Arduino Digital I/O Pin 6

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Prototyyppikortti 5V -väylä

Proto Board Vihreä LED Arduino Digital I/O Pin 7

RF -linkkivastaanottimen nastatiedot ovat saatavilla osoitteessa www.sparkfun.com.

Irrota emali 1/4 tuumaa 18AWG -langan pituudesta 6,75 tuumaa ja työnnä se prototyyppikortin reikään, joka on välittömästi RF Link Rx Pin 8 (antenni) vieressä. Kun olet asettanut reiän, taivuta irrotettu pää niin, että se kosketa RF Link Rx Pin 8 ja juota se paikalleen.

Ohjelmoi Arduino Uno seuraavassa vaiheessa olevan luonnoksen avulla. Kun laite nollataan tai käynnistetään, vihreä LED -valo vilkkuu kaksi kertaa 0,5 sekunnin ajan. Kun langaton paketti on vastaanotettu 434 MHz: n anturikerrokselta, vihreä LED vilkkuu ~ 0,5 sekuntia.

Vaihe 5: Wireless Bridge -ohjelmisto

Wireless Bridge -ohjelmisto on liitetty tähän vaiheeseen ja se on hyvin kommentoitu.