Mukavuudenvalvonta -anturiaseman rakentaminen: 10 vaihetta (kuvilla)

2025 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2025-01-13 06:57

Tämä opas kuvaa niin kutsutun Comfort Monitoring Station CoMoS -laitteen suunnittelua ja rakentamista, joka on yhdistetty ympäristöolosuhteiden anturi, joka kehitettiin TUKin rakennetun ympäristön osastolla, Technische Universität Kaiserslautern, Saksa.

CoMoS käyttää ESP32-ohjainta ja antureita ilman lämpötilan ja suhteellisen kosteuden (Si7021), ilman nopeuden (tuulianturin kierros C modernilla laitteella) ja maapallon lämpötilan (DS18B20, musta polttimo), kaikki pienikokoisena ja helposti rakentaa kotelo visuaalisella palautteella LED -osoittimen (WS2812B) kautta. Lisäksi mukana tulee valaistusanturi (BH1750) paikallisen visuaalisen tilan analysoimiseksi. Kaikki anturitiedot luetaan määräajoin ja lähetetään Wi-Fi-yhteyden kautta tietokantapalvelimelle, josta niitä voidaan käyttää seurantaan ja ohjaukseen.

Tämän kehityksen taustalla on halvan, mutta erittäin tehokkaan vaihtoehdon hankkiminen laboratorioanturilaitteille, joiden hinta on tyypillisesti yli 3000 €. Sitä vastoin CoMoS käyttää laitteistoa, jonka kokonaishinta on noin 50 €, ja siksi sitä voidaan käyttää kattavasti (toimisto) rakennuksissa yksilöllisen lämpö- ja visuaalisen tilan reaaliaikaiseksi määrittämiseksi jokaisessa työpaikassa tai rakennuksen osassa.

Lisätietoja tutkimuksestamme ja siihen liittyvästä työstä osastolla saat viralliselta Living Labin älykkäältä toimistotilojen verkkosivustolta tai ottamalla yhteyttä vastaavaan kirjailijaan suoraan LinkedInin kautta. Kaikkien kirjoittajien yhteystiedot on lueteltu tämän ohjeen lopussa.

Rakennehuomautus: Tämä opas kuvaa CoMoS: n alkuperäistä asennusta, mutta se sisältää myös tietoja ja ohjeita muutamista hiljattain kehittämistämme muunnelmista: Vakio-osista rakennetun alkuperäisen kotelon lisäksi on myös 3D-tulostettu vaihtoehto. Alkuperäisen laitteen lisäksi, jossa on tietokantapalvelinyhteys, on olemassa vaihtoehtoinen erillinen versio, jossa on SD-korttitallennustila, integroitu WIFi-tukiasema ja hieno mobiilisovellus anturilukujen visualisoimiseksi. Tarkista vastaavissa luvuissa merkityt vaihtoehdot ja viimeisen luvun erillinen vaihtoehto.

Henkilökohtainen huomautus: Tämä on kirjoittajan ensimmäinen ohje, ja se kattaa melko yksityiskohtaisen ja monimutkaisen asennuksen. Älä epäröi ottaa yhteyttä tämän sivun kommenttiosion kautta, sähköpostitse tai LinkedInin kautta, jos vaiheiden aikana puuttuu tietoja tai tietoja.

Vaihe 1: Taustaa - lämpö- ja visuaalinen mukavuus

Lämpö- ja visuaalisesta mukavuudesta on tullut yhä tärkeämpiä aiheita erityisesti toimisto- ja työympäristöissä, mutta myös asuinalueella. Suurin haaste tällä alalla on, että yksilöiden lämpökäsitys vaihtelee usein laajasti. Yksi henkilö saattaa tuntea olonsa kuumana tietyissä lämpöolosuhteissa, kun taas toinen henkilö tuntuu kylmältä samassa tilassa. Tämä johtuu siitä, että yksilölliseen lämpökäsitykseen vaikuttavat monet tekijät, mukaan lukien ilman lämpötilan, suhteellisen kosteuden, ilman nopeuden ja ympäröivien pintojen säteilylämpötilan fyysiset tekijät. Mutta myös vaatetus, aineenvaihdunta ja ikä, sukupuoli, kehon massa ja monet muut tekijät vaikuttavat lämpökäsitykseen.

Vaikka yksittäiset tekijät ovat edelleen epävarmoja lämmityksen ja jäähdytyksen ohjauksessa, fyysiset tekijät voidaan määrittää tarkasti anturilaitteilla. Ilman lämpötila, suhteellinen kosteus, ilman nopeus ja maapallon lämpötila voidaan mitata ja käyttää suoraan tulona rakennuksen hallintaan. Lisäksi yksityiskohtaisemmassa lähestymistavassa niitä voidaan käyttää syöttönä laskettaessa ns. PMV-indeksi, jossa PMV tarkoittaa ennustettua keskimääräistä ääntä. Siinä kuvataan, kuinka ihmiset keskimäärin todennäköisesti arvioisivat lämpötilansa tietyissä ympäristön olosuhteissa. PMV voi ottaa arvoja -3 (kylmä) -+3 (kuuma), ja 0 on neutraali tila.

Miksi mainitsemme sen PMV-asian täällä? No, koska henkilökohtaisen mukavuuden alalla se on yleisesti käytetty indeksi, joka voi toimia laatukriteerinä rakennuksen lämpötilanteelle. CoMoS: n avulla voidaan mitata kaikki PMV -laskennassa tarvittavat ympäristön parametrit.

Jos olet kiinnostunut, lue lisää lämpömukavuudesta, maapallon kontekstista ja keskimääräisestä säteilylämpötilasta, PMV-indeksistä ja käyttöönotettavasta ASHRAE-standardista osoitteessa

Wikipedia: Lämpömukavuus

ISO 7726 Lämpöympäristön ergonomia

ASHRAE NPO

Muuten: Henkilökohtaisen ympäristön alalla on pitkään olemassa olevia, mutta myös paljon uusia laitteita yksilöllisen lämpö- ja visuaalisen mukavuuden tarjoamiseksi. Pienet työpöytätuulettimet ovat tunnettu esimerkki. Mutta myös jalkalämmittimiä, lämmitettyjä ja tuuletettuja tuoleja tai toimisto-osioita IR-säteilylämmitystä ja -jäähdytystä varten kehitetään tai jopa saatetaan markkinoille. Kaikki nämä tekniikat vaikuttavat esimerkiksi paikalliseen lämpötilaan, esimerkiksi työpaikalla, ja niitä voidaan ohjata automaattisesti myös paikallisten anturitietojen perusteella, kuten tämän vaiheen kuvissa näkyy.

Lisätietoja henkilökohtaisen ympäristön gadgeteista ja käynnissä olevasta tutkimuksesta on osoitteessa

Living Lab -älytoimisto: henkilökohtainen ympäristö

Kalifornian yliopisto, Berkeley

ZEN -raportti jäähdytyslaitteiden henkilökohtaisesta lämmityksestä [PDF]

SBRC Wollongongin yliopisto

Vaihe 2: Järjestelmäkaavio

Yksi kehitysprosessin päätavoitteista oli luoda langaton, kompakti ja edullinen anturilaite, joka mittaa sisäympäristöolosuhteita vähintään kymmenessä yksittäisessä työpaikassa tietyssä avoimessa toimistotilassa. Siksi asema käyttää ESP32-WROOM-32-laitetta, jossa on sisäinen WiFi-yhteys ja jossa on laaja valikoima liittimiä ja tuettuja väylätyyppejä kaikenlaisille antureille. Anturiasemat käyttävät erillistä IoT-WiFi-yhteyttä ja lähettävät tietolukunsa MariaDB-tietokantaan tietokantapalvelimella toimivan PHP-komentosarjan kautta. Vaihtoehtoisesti voidaan asentaa myös helppokäyttöinen Grafana-visuaalinen lähtö.

Yllä oleva kaavio näyttää kaikkien oheislaitteiden järjestelyt yleiskatsauksena järjestelmän kokoonpanosta, mutta tämä ohje keskittyy itse anturiasemaan. Tietenkin PHP -tiedosto ja SQL -yhteyden kuvaus sisältyvät myös myöhemmin, jotta saadaan kaikki tarvittavat tiedot CoMoS: n rakentamiseen, yhdistämiseen ja käyttöön.

Huomautus: tämän ohjeen lopussa on ohjeet siitä, miten voit rakentaa vaihtoehtoisen erillisen CoMoS-version SD-korttitallennuksella, sisäisellä WiFi-tukiasemalla ja verkkosovelluksella mobiililaitteille.

Vaihe 3: Toimitusluettelo

Elektroniikka

Anturit ja ohjain, kuten kuvassa:

• ESP32-WROOM-32 mikro-ohjain (espressif.com) [A]
• Si7021- tai GY21 -lämpötila- ja kosteusanturi (adafruit.com) [B]
• DS18B20+ lämpötila -anturi (adafruit.com) [C]
• Rev C. ilman nopeusanturi (moderndevice.com) [D]
• WS2812B 5050 -tila -LED (adafruit.com) [E]
• BH1750 -valaistusanturi (amazon.de) [F]

Lisää sähköosia:

• 4, 7k vetovastus (adafruit.com)
• 0, 14 mm² (tai vastaava) vakiolanka (adafruit.com)
• 2x Wago -kompakti liitosliitin (wago.com)
• Mikro -USB -kaapeli (sparkfun.com)

Kotelon osat (Löydä tarkemmat tiedot näistä osista ja kooista seuraavassa vaiheessa. Jos sinulla on 3D-tulostin, tarvitset vain pöytätennispalloa. Ohita seuraava vaihe ja etsi kaikki tiedot ja tiedostot tulostusta varten vaiheessa 5.)

• Akryylilevy pyöreä 50x4 mm [1]
• Teräslevy pyöreä 40x10 mm [2]
• Akryyliputki 50x5x140 mm [3]
• Akryylilevy pyöreä 40x5 mm [4]
• Akryyliputki 12x2x50 mm [5]
• Pöytätennispallo [6]

Sekalaisia

• Valkoinen maalisuihke
• Musta matta maalisuihke
• Jotain nauhaa
• Vähän eristysvillaa, vanulappua tai jotain vastaavaa

Työkalut

• Porakone
• 8 mm varas pora
• 6 mm puu-/muovipora
• 12 mm puu-/muovipora
• Ohut käsisaha
• Hioa
• Langanleikkauspihdit
• Langanpoistaja
• Juotin ja tina
• Voimaliima tai kuuma liimapistooli

Ohjelmistot ja kirjastot (numerot osoittavat kirjastoversioita, joita käytimme ja testasimme laitteistoa. Uudempien kirjastojen pitäisi myös toimia, mutta kohtasimme joskus ongelmia, kun kokeilimme erilaisia / uudempia versioita.)

• Arduino IDE (1.8.5)
• ESP32 -ydinkirjasto
• BH1750FVI -kirjasto
• Adafruit_Si7021 -kirjasto (1.0.1)
• Adafruit_NeoPixel -kirjasto (1.1.6)
• Dallas Lämpötilakirjasto (3.7.9)
• OneWire -kirjasto (2.3.3)

Vaihe 4: Kotelon suunnittelu ja rakentaminen - Vaihtoehto 1

CoMoS -mallissa on ohut, pystysuora kotelo, jossa suurin osa antureista on asennettu yläosaan, ja vain lämpötila- ja kosteusanturi on asennettu lähelle pohjaa. Anturien sijainnit ja järjestelyt noudattavat mitattujen muuttujien erityisvaatimuksia:

• Si7021 -lämpötila- ja kosteusanturi on asennettu kotelon ulkopuolelle, lähelle sen pohjaa, jotta ilma pääsee kiertämään anturin ympärillä ja minimoidaan kotelon sisällä olevan mikrokontrollerin aiheuttama hukkalämpö.
• BH1750 -valaistusanturi on asennettu kotelon tasaiselle yläosalle mittaamaan valaistusta vaakasuoralta pinnalta työpaikan valaistusta koskevien yhteisten standardien mukaisesti.
• Rev. C -tuulianturi on myös asennettu kotelon yläosaan, ja sen elektroniikka on piilotettu kotelon sisään, mutta sen piikit, joissa on varsinainen lämpömittari ja lämpötila -anturi, ovat alttiina yläosan ympärille.
• DS18B20 -lämpötila -anturi on asennettu aseman yläosaan, mustaksi maalatun pöytätennispallon sisään. Ylhäällä oleva asento on välttämätön katselukerrointen ja siten itse anturiaseman säteilyvaikutuksen minimoimiseksi maapallon lämpötilan mittaamiseen.

Lisäresursseja keskimääräisestä säteilylämpötilasta ja mustien pöytätennispallojen käytöstä maapallon lämpötila -antureina ovat:

Wang, Shang & Li, Yuguo. (2015). Akryyli- ja kuparipallolämpömittarien sopivuus päivittäisiin ulkotiloihin. Rakennus ja ympäristö. 89. 10.1016/j.buildenv.2015.03.002.

de Rakas, Richard. (1987). Ping-pong-maapallolämpömittarit keskimääräiseen säteilylämpötilaan. H & Eng.,. 60. 10-12.

Kotelo on suunniteltu yksinkertaiseksi, jotta valmistusaika ja vaivat pysyvät mahdollisimman pieninä. Se voidaan helposti rakentaa vakio -osista ja -komponenteista muutamalla yksinkertaisella työkalulla ja taidolla. Tai niille, joilla on onni saada 3D-tulostin palvelukseensa, kaikki kotelon osat voidaan myös tulostaa 3D-muodossa. Kotelon tulostamista varten tämän vaiheen loppuosa voidaan ohittaa ja kaikki tarvittavat tiedostot ja ohjeet löytyvät seuraavassa vaiheessa.

Vakio -osien rakentamiseen useimpien osien mitat valitaan:

• Päärunko on akryyliputki (PMMA), jonka ulkohalkaisija on 50 mm, seinämän paksuus 5 mm ja korkeus 140 mm.
• Alalevy, joka toimii tila -LED -valon johtimena, on pyöreä akryylilevy, jonka halkaisija on 50 mm ja paksuus 4 mm.
• Teräksinen pyöreä, jonka halkaisija on 40 mm ja paksuus 10 mm, on asennettu painona pohjalevyn päälle ja sovitettu päärunkoputken alapäähän, jotta asema ei kaatuisi ja pitäisi pohjalevyä paikallaan.
• Ylälevy sopii myös päärunkoon. Se on valmistettu PMMA: sta ja sen halkaisija on 40 mm ja paksuus 5 mm.
• Lopuksi myös ylempi nousuputki on PMMA, jonka ulkohalkaisija on 10 mm, seinämän paksuus 2 mm ja pituus 50 mm.

Valmistus- ja kokoamisprosessi on yksinkertainen ja alkaa porata joitakin reikiä. Teräskierre tarvitsee 8 mm: n jatkuvan reiän LEDin ja kaapeleiden kiinnittämiseksi. Päärunkoputki tarvitsee noin 6 mm: n reiät kaapelin läpivienniksi USB- ja anturikaapelille sekä tuuletusaukoiksi. Reikien lukumäärää ja sijaintia voidaan vaihdella mieltymystesi mukaan. Kehittäjien valinta on kuusi reikää takana, lähellä ylä- ja alaosaa ja kaksi etupuolella, yksi ylhäällä, yksi pohja viitteenä.

Ylälevy on vaikein osa. Se tarvitsee keskitetyn, suoran ja jatkuvan 12 mm: n kokonaisuuden, jotta se sopii ylempään nousuputkeen, toisen pois keskitetyn 6 mm: n reiän valaistusanturikaapelin sovittamiseksi ja ohuen, noin 1, 5 mm leveän ja 18 mm: n raon tuulen sovittamiseksi sensori. Katso viitteellisiä kuvia. Ja lopuksi, pöytätennispallo tarvitsee myös 6 mm kokonaisuuden, jotta se sopii maapallon lämpötila -anturiin ja kaapeliin.

Seuraavassa vaiheessa kaikki PMMA -osat, pohjalevyä lukuun ottamatta, tulee maalata ruiskulla, viite on valkoinen. Pöytätennispallo on maalattava mattamustalle sen arvioitujen lämpö- ja optisten ominaisuuksien määrittämiseksi.

Teräskierre on liimattu keskelle ja tasaisesti pohjalevyyn. Ylempi nousuputki on liimattu ylälevyn 12 mm reikään. Pöytätennispallo on liimattu nousuputken yläpäähän siten, että sen reikä vastaa nousuputken sisäaukkoa, joten lämpötila -anturi ja kaapeli voidaan asettaa palloon myöhemmin nousuputken kautta.

Kun tämä vaihe on tehty, kaikki kotelon osat ovat valmiita koottavaksi kokoamalla ne yhteen. Jos jotkut sopivat liian tiukalle, hio ne hiukan alas, jos liian löysä, lisää ohut kerros teippiä.

Vaihe 5: Kotelon suunnittelu ja rakentaminen - Vaihtoehto 2

Vaikka vaihtoehto 1 CoMoS-kotelon rakentamisesta on edelleen nopea ja yksinkertainen, 3D-tulostimen antaminen tehdä työ voi olla vieläkin helpompaa. Myös tämän vaihtoehdon tapauksessa kotelo on jaettu kolmeen osaan, yläosaan, kotelon runkoon ja alaosaan, jotta johdotus ja asennus on helppoa seuraavassa vaiheessa kuvatulla tavalla.

Tiedostot ja lisätietoja tulostimen asetuksista ovat Thingiversessä:

CoMoS -tiedostot Thingiversessa

On erittäin suositeltavaa noudattaa ohjeita valkoisen filamentin käyttämiseksi ylä- ja kotelon osissa. Tämä estää kotelon lämpenemisen liian nopeasti auringonvalossa ja välttää vääriä mittauksia. Alaosassa on käytettävä läpinäkyvää filamenttia, jotta LED -merkkivalo syttyy.

Toinen vaihtoehto vaihtoehdosta 1 on, että metallikierros puuttuu. Jotta CoMoS ei kaatuisi, läpinäkyvään alaosaan/päälle tulee laittaa kaikenlainen paino, kuten laakeripallot tai nippu metallisia aluslevyjä. Se on suunniteltu reunalla, joka sopii ja kestää jonkin verran painoa. Vaihtoehtoisesti CoMoS voidaan teipata asennuspaikalleen kaksipuolisella teipillä.

Huomautus: Thingiverse -kansio sisältää tiedostoja micro SD -kortinlukijan kotelolle, joka voidaan asentaa CoMoS -koteloon. Tämä tapaus on valinnainen ja osa tämän ohjeen viimeisessä vaiheessa kuvattua erillistä versiota.

Vaihe 6: Johdotus ja kokoonpano

ESP, anturit, LED ja USB -kaapeli on juotettu ja kytketty tämän vaiheen kuvissa esitetyn kaavamaisen piirin mukaisesti. Myöhemmin kuvattua esimerkkikoodia vastaava PIN-määritys on:

• 14 - Palauta silta (EN) - [harmaa]
• 17 - WS2811 (LED) - [vihreä]
• 18 - vetovastus DS18B20+: lle
• 19 - DS18B20+ (yksi lanka) - [violetti]
• 21 - BH1750 & SI7021 (SDA) - [sininen]
• 22 - BH1750 & SI7021 (SCL) - [keltainen]
• 25 - BH1750 (V -tulo) - [ruskea]
• 26 - SI7021 (V -tulo) - [ruskea]
• 27 - DS18B20+ (V -tulo) - [ruskea]
• 34 - Tuulianturi (TMP) - [syaani]
• 35 - Tuulianturi (RV) - [oranssi]
• VIN - USB -kaapeli (+5 V) - [punainen]
• GND - USB -kaapeli (GND) - [musta]

Si7021-, BH1750- ja DS18B20+ -anturit saavat virran ESP32: n IO-nastan kautta. Tämä on mahdollista, koska niiden enimmäisvirta on alle ESP: n maksimivirtasyötön pintaa kohden, ja se on välttämätöntä, jotta anturit voidaan nollata katkaisemalla virransyöttö anturiviestintävirheiden sattuessa. Katso lisätietoja ESP -koodista ja kommenteista.

Si7021- ja BH1750 -anturit, samoin kuin USB -kaapeli, on juotettava johtojen kanssa, jotka on jo asetettu kotelon reikien läpi, jotta asennus voidaan suorittaa seuraavassa vaiheessa. WAGO -kompakteja liitosliittimiä käytetään laitteiden liittämiseen virtalähteeseen USB -kaapelilla. Kaikki saavat virtansa 5 V DC: ltä USB: llä, joka toimii ESP32: n logiikkatason kanssa 3, 3 V. pistorasia, virtalähteenä ja datayhteytenä koodin siirtämiseksi ESP32: een, kun kotelo on suljettu. Muuten, jos kytketty kaavion mukaisesti, tarvitaan toinen ehjä mikro -USB -kaapeli koodin siirtämiseksi ensin ESP: hen ennen kotelon kokoamista.

Si7021 -lämpötila -anturi on liimattu kotelon takaosaan, lähelle pohjaa. On erittäin tärkeää kiinnittää tämä anturi lähelle pohjaa, jotta vältytään vääristä lämpötilalukemista, jotka johtuvat kotelon sisällä olevasta lämmöstä. Katso lisätietoja tästä ongelmasta kohdasta Epilogue -vaihe. BH1750 -valaistusanturi on liimattu ylälevyyn ja tuulianturi asetetaan paikalleen ja asennetaan vastakkaisella puolella olevaan rakoon. Jos se sopii liian hukkaan, pieni nauha anturin keskiosan ympärillä auttaa pitämään sen paikallaan. DS18B20 -lämpötila -anturi työnnetään ylemmän nousuputken kautta pöytätennispalloon siten, että lopullinen asema on pallon keskellä. Ylemmän nousuputken sisäpuoli on täytetty eristysvillalla ja alempi aukko on suljettu teipillä tai kuumaliimalla estämään johtava tai konvektiivinen lämmönsiirto maapallolle. LED on kiinnitetty teräksiseen pyöreään reikään alaspäin valaisemaan pohjalevyä.

Kaikki johdot, jatkosliittimet ja ESP32 menevät pääkotelon sisään ja kaikki kotelon osat kootaan yhteen lopulliseen kokoonpanoon.

Vaihe 7: Ohjelmisto - ESP-, PHP- ja MariaDB -määritykset

ESP32 -mikro -ohjain voidaan ohjelmoida käyttämällä Arduino IDE: tä ja Espressifin tarjoamaa ESP32 Core -kirjastoa. Esimerkiksi täällä on paljon opetusohjelmia IDE: n määrittämisestä ESP32 -yhteensopivuutta varten.

Asetuksen jälkeen liitetty koodi siirretään ESP32 -laitteeseen. Se on kommentoitu kaikkialla ymmärrettävyyden vuoksi, mutta joitakin tärkeimpiä ominaisuuksia ovat:

• Sen alussa on "käyttäjän kokoonpano" -osio, jossa on määritettävä yksittäisiä muuttujia, kuten WiFi -tunnus ja salasana, tietokantapalvelimen IP -osoite sekä halutut lukemat ja lähetysaika. Se sisältää myös muuttujan "nolla tuulen säätö", jota voidaan käyttää nollan tuulen nopeuden lukemien säätämiseen nollaan, jos virtalähde on epävakaa.
• Koodi sisältää keskimääräiset kalibrointikertoimet, jotka kirjoittajat ovat määrittäneet kymmenen olemassa olevan anturiaseman kalibroinnista. Katso lisätietoja ja mahdolliset yksilölliset säädöt kohdasta Epilogue -vaihe.
• Erilaisia virheiden käsittelyjä on koodin useissa osissa. Erityisen tehokas ESP32 -ohjaimissa usein esiintyvien väyläviestintävirheiden tehokas havaitseminen ja käsittely. Katso myös lisätietoja Epilogue -vaiheesta.
• Siinä on LED -värilähtö, joka näyttää anturiaseman nykyisen tilan ja mahdolliset virheet. Katso lisätietoja Tulokset -vaiheesta.

Liitetyn PHP -tiedoston on oltava asennettuna ja käytettävissä tietokantapalvelimen juurihakemistossa, palvelinIP/sensor.php. PHP -tiedostonimen ja tietojenkäsittelyn sisällön on vastattava ESP: n kutsutoiminnon koodia ja toisaalta vastattava tietokantataulukon asetuksia, jotta datalukemat voidaan tallentaa. Liitetyt esimerkkikoodit täsmäävät, mutta jos muutat muuttujia, ne on muutettava koko järjestelmässä. PHP -tiedoston alussa on säätöosa, jossa tehdään yksittäisiä muutoksia järjestelmän ympäristön, erityisesti tietokannan käyttäjänimen ja salasanan sekä tietokannan nimen mukaan.

MariaDB- tai SQL -tietokanta määritetään samalle palvelimelle anturiasemakoodissa käytetyn taulukkoasetuksen ja PHP -komentosarjan mukaisesti. Esimerkkikoodissa MariaDB -tietokannan nimi on "sensorstation" ja taulukko nimeltä "data", joka sisältää 13 saraketta UTCDate, ID, UID, Temp, Hum, Globe, Vel, VelMin, VelMax, MRT, Illum, IllumMin, ja IllumMax.

Grafana -analytiikka- ja seuranta -alusta voidaan asentaa palvelimelle lisävaihtoehtona tietokannan suoralle visualisoinnille. Tämä ei ole tämän kehityksen keskeinen piirre, joten sitä ei kuvata tarkemmin tässä ohjeessa.

Vaihe 8: Tulokset - tietojen lukeminen ja tarkistaminen

Kun kaikki johdotukset, kokoonpano, ohjelmointi ja ympäristön asetukset on tehty, anturiasema lähettää datalukemat säännöllisesti tietokantaan. Virran ollessa kytkettynä useat toimintatilat ilmaistaan alemman LED -värin kautta:

• Käynnistyksen aikana LED -valo syttyy keltaisena ilmaisemaan odottavaa yhteyttä WiFi -verkkoon.
• Kun yhteys on muodostettu, merkkivalo on sininen.
• Anturiasema suorittaa anturilukemat ja lähettää ne palvelimelle määräajoin. Jokainen onnistunut siirto ilmaistaan 600 ms: n vihreällä valolla.
• Virheiden sattuessa merkkivalo on punainen, violetti tai kellertävä virhetyypin mukaan. Tietyn ajan tai virheiden määrän jälkeen anturiasema nollaa kaikki anturit ja käynnistyy uudelleen automaattisesti, mikä näkyy jälleen keltaisessa merkkivalossa käynnistyksessä. Katso ESP32 -koodi ja kommentit saadaksesi lisätietoja merkkivalojen väreistä.

Kun tämä viimeinen vaihe on tehty, anturiasema toimii ja toimii jatkuvasti. Tähän mennessä 10 anturiaseman verkko on asennettu ja toimii edellä mainitussa Living Lab -älytoimistotilassa.

Vaihe 9: Vaihtoehto: Erillinen versio

CoMoS: n kehittäminen jatkuu, ja tämän jatkuvan prosessin ensimmäinen tulos on itsenäinen versio. Tämä CoMoS -versio ei tarvitse tietokantapalvelinta ja WiFi -verkkoa ympäristötietojen seurantaan ja tallentamiseen.

Uudet keskeiset ominaisuudet ovat:

• Tietojen lukemat tallennetaan sisäiselle mikro-SD-kortille Excel-ystävällisessä CSV-muodossa.
• Integroitu WiFi -tukiasema mahdollistaa pääsyn CoMoS: ään millä tahansa mobiililaitteella.
• Verkkopohjainen sovellus (ESP32: n sisäinen verkkopalvelin, Internet-yhteyttä ei tarvita) reaaliaikaisille tiedoille, asetuksille ja tallennustilalle suoraan tiedostojen lataamisesta SD-kortilta, kuten kuvassa ja tämän vaiheen liitteenä olevissa kuvakaappauksissa näkyy.

Tämä korvaa WiFi- ja tietokantayhteyden, kun taas kaikki muut ominaisuudet, mukaan lukien kalibrointi ja kaikki suunnittelu ja rakenne, ovat alkuperäisestä versiosta koskemattomia. Itsenäinen CoMoS vaatii kuitenkin kokemusta ja lisätietoa ESP32: n sisäisen tiedostonhallintajärjestelmän "SPIFFS" käyttämisestä sekä hieman HTML-, CSS- ja Javascript-tietoisuutta Web-sovelluksen toiminnan ymmärtämiseksi. Se tarvitsee myös muutamia lisää / erilaisia kirjastoja toimimaan.

Tarkista tarvittavat kirjastot Arduino -koodista liitteenä olevassa zip -tiedostossa ja seuraavista viitteistä lisätietoja ohjelmoinnista ja lataamisesta SPIFFS -tiedostojärjestelmään:

SPIFFS -kirjasto espressifiltä

SPIFFS-tiedoston lataaja, kirjoittanut me-no-dev

ESP32WebServer -kirjasto, Pedroalbuquerque

Tämä uusi versio tekisi aivan uuden ohjeen, joka saatetaan julkaista tulevaisuudessa. Mutta tällä hetkellä, etenkin kokeneemmille käyttäjille, emme halua jättää käyttämättä tilaisuutta jakaa perustiedot ja tiedostot, joita tarvitset sen määrittämiseen.

Nopeat vaiheet itsenäisen CoMoS: n luomiseksi:

• Rakenna kotelo edellisen vaiheen mukaisesti. Vaihtoehtoisesti voit tulostaa 3D-lisäkotelon mikro-SC-kortinlukijalle, joka voidaan liittää CoMoS-koteloon. Jos sinulla ei ole 3D -tulostinta, kortinlukija voidaan sijoittaa myös CoMoS -pääkoteloon, ei hätää.
• Kytke kaikki anturit jo aiemmin kuvatulla tavalla, mutta asenna ja johdota lisäksi micro SD -kortinlukija (amazon.com) ja reaaliaikainen DS3231 -kello (adafruit.com) tämän vaiheen kytkentäkaavion mukaisesti. Huomautus: Vedävastuksen ja oneWiren nastat eroavat alkuperäisestä kytkentäkaaviosta!
• Tarkista Arduino -koodi ja säädä WiFi -tukiaseman muuttujat "ssid_AP" ja "password_AP" henkilökohtaisten mieltymystesi mukaan. Jos sitä ei ole säädetty, tavallinen SSID on "CoMoS_AP" ja salasana "12345678".
• Aseta micro SD -kortti, lataa koodi, lataa "data" -kansion sisältö ESP32 -tiedostoon SPIFFS -tiedostojen latausohjelman avulla ja liitä mikä tahansa mobiililaite WiFi -tukiasemaan.
• Siirry mobiiliselaimessasi kohtaan "192.168.4.1" ja nauti!

Sovellus perustuu html-, css- ja javascript -tiedostoihin. Se on paikallinen, Internet -yhteyttä ei tarvita tai vaadita. Siinä on sovelluksen sisäinen valikko, jolla pääset asetussivulle ja muistisivulle. Asetussivulla voit säätää tärkeimpiä asetuksia, kuten paikallista päivämäärää ja aikaa, anturin lukuväliä jne. Kaikki asetukset tallennetaan pysyvästi ESP32: n sisäiseen tallennustilaan ja palautetaan seuraavan käynnistyksen yhteydessä. Muistisivulla on luettelo SD -kortilla olevista tiedostoista. Tiedostonimen napsauttaminen aloittaa CSV -tiedoston lataamisen suoraan mobiililaitteeseen.

Tämä järjestelmä mahdollistaa yksilöllisen ja etähallinnan sisäympäristön olosuhteista. Kaikki anturin lukemat tallennetaan SD -kortille määräajoin, ja uusia tiedostoja luodaan joka päivä. Tämä mahdollistaa jatkuvan käytön viikkoja tai kuukausia ilman pääsyä tai huoltoa. Kuten aiemmin mainittiin, tämä on edelleen käynnissä oleva tutkimus ja kehitys. Jos olet kiinnostunut lisätietoja tai apua, älä epäröi ottaa yhteyttä vastaavaan kirjoittajaan kommenttien kautta tai suoraan LinkedInin kautta.

Vaihe 10: Epilogue - Tunnetut ongelmat ja Outlook

Tässä ohjeessa kuvattu anturiasema on pitkän ja jatkuvan tutkimuksen tulos. Tavoitteena on luoda luotettava, tarkka, mutta edullinen anturijärjestelmä sisäilman olosuhteisiin. Tämä piti sisällään vakavia haasteita, joista varmin on mainittava tässä:

Anturin tarkkuus ja kalibrointi

Tässä projektissa käytetyt anturit tarjoavat suhteellisen korkean tarkkuuden alhaisilla tai kohtuullisilla kustannuksilla. Useimmat niistä on varustettu sisäisellä kohinanvaimennuksella ja digitaalisen väylän rajapinnoilla kommunikointia varten, mikä vähentää kalibroinnin tai tason säätämisen tarvetta. Joka tapauksessa, koska anturit on asennettu koteloon tai koteloon, jolla on tiettyjä ominaisuuksia, kirjoittajat suorittivat koko anturiaseman kalibroinnin, kuten liitteenä olevat kuvat osoittavat lyhyesti. Yhteensä kymmenen yhtä rakennettua anturiasemaa testattiin määritellyissä ympäristöolosuhteissa ja verrattiin ammattimaiseen TESTO 480 -ilmastoanturilaitteeseen. Näistä ajoista määritettiin esimerkkikoodiin sisältyvät kalibrointikertoimet. Ne mahdollistavat yksinkertaisen kompensoinnin kotelon ja elektroniikan vaikutuksesta yksittäisiin antureihin. Suurimman tarkkuuden saavuttamiseksi suositellaan yksilöllistä kalibrointia kullekin anturiasemalle. Tämän järjestelmän kalibrointi on tekijöiden tutkimuksen toinen painopiste tässä ohjeessa kuvatun kehityksen ja rakentamisen lisäksi. Siitä keskustellaan toisessa yhdistetyssä julkaisussa, joka on edelleen vertaisarvioinnissa ja linkitetään tänne heti, kun se julkaistaan verkossa. Löydät lisätietoja tästä aiheesta kirjoittajien verkkosivuilta.

ESP32 -toiminnan vakaus

Kaikki tässä koodissa käytetyt Arduino-pohjaiset anturikirjastot eivät ole täysin yhteensopivia ESP32-kortin kanssa. Tästä asiasta on keskusteltu laajalti monissa kohdissa verkossa, erityisesti I2C- ja OneWire -viestinnän vakauden suhteen. Tässä kehityksessä suoritetaan uusi, yhdistetty virheentunnistus ja -käsittely, joka perustuu anturien syöttämiseen suoraan ESP32: n IO -nastojen kautta, jotta niiden virtalähde voidaan katkaista nollauskäyttöä varten. Tämän päivän näkökulmasta tätä ratkaisua ei ole esitetty tai siitä ei ole keskusteltu laajasti. Se syntyi välttämättömyydestä, mutta toistaiseksi se toimii sujuvasti useiden kuukausien ajan ja sen jälkeen. Silti se on edelleen tutkimuksen aihe.

Näkymät

Yhdessä tämän ohjattavan kanssa kirjoittajat suorittavat lisää kirjallisia julkaisuja ja konferenssiesityksiä kehityksen levittämiseksi ja mahdollistavat laajan ja avoimen lähdekoodin sovelluksen. Samaan aikaan tutkimusta jatketaan anturiaseman parantamiseksi edelleen erityisesti järjestelmän suunnittelun ja valmistettavuuden sekä järjestelmän kalibroinnin ja todentamisen osalta. Tämä ohje voidaan päivittää tärkeisiin tuleviin tapahtumiin, mutta kaikki ajantasaiset tiedot ovat tekijöiden verkkosivuilla tai ota yhteyttä tekijöihin suoraan LinkedInin kautta:

vastaava kirjoittaja: Mathias Kimmling

toinen kirjoittaja: Konrad Lauenroth

tutkimusmentori: prof. Sabine Hoffmann

Toinen palkinto ensimmäisellä kirjailijalla