Kompaktní senzor počasí s datovým spojením GPRS (SIM karta): 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

shrnutí projektu

Jedná se o bateriový senzor počasí založený na senzoru teploty/tlaku/vlhkosti BME280 a MCU ATMega328P. Funguje na dvě 3,6 V lithium thionylové AA baterie. Má extrémně nízkou spotřebu spánku 6 µA. Odesílá data půl hodiny přes GPRS (pomocí GSM modulu SIM800L) do ThingSpeak, ovládaného hodinami reálného času DS3231. Odhadovaná služba na jednu sadu baterií je> 6 měsíců.

Používám SIM kartu ASDA pay-as-you-go, která nabízí extrémně dobré podmínky pro účely tohoto projektu, protože má velmi dlouhou dobu platnosti kreditu (180 dní) a účtuje pouze objem dat 5 p/MB.

Motivace: Vývoj ekonomického, bezúdržbového, autonomního, bateriového environmentálního senzoru, který lze umístit ve volné přírodě pro získávání údajů o počasí nebo jiných datech a přenos přes síť GSM/GPRS na server IoT.

Fyzické rozměry: 109 x 55 x 39 mm (včetně přírub skříně). Hmotnost 133 g. Hodnocení IP 54 (odhad).

Cena materiálu: Přibl. 20 GBP za jednotku.

Doba montáže: 2 hodiny na jednotku (ruční pájení)

Zdroj energie: dvě lithium thionylové baterie AA, nenabíjecí (3,6 V, 2,6 Ah).

Síťový protokol: GSM GPRS (2G)

Možné využití: Jakékoli vzdálené místo s pokrytím signálem GSM. Lesy, majáky, bóje, soukromé jachty, karavany, kempy, horské útočiště, neobydlené budovy

Test spolehlivosti: Jedna jednotka prochází dlouhodobými testy bez dozoru od 30.8.20. Kromě jednoho selhání softwaru odesílá data spolehlivě každých 30 minut.

Krok 1: Požadované součásti

• PCB na zakázku. Zde komprimované soubory Gerber (zdá se, že instructables.com blokuje odesílání souborů ZIP). Vřele doporučuji jlcpcb.com pro výrobu DPS. Pro lidi žijící ve Velké Británii vám rád pošlu náhradní desku plošných spojů za minimální příspěvek na náklady na materiál a poštovné - napište mi.
• ATMega328P-AU
• Upravené hodiny v reálném čase DS3231 (viz odstavec níže)
• Breakoutová deska BME280, jako je tato
• Modul SIM800L GSM GPRS
• Různé SMD díly podle podrobného seznamu.
• Hammond 1591, černý kryt ABS, IP54, přírubový, 85 x 56 x 35 mm, od společnosti RS Components UK

Úprava DS3231

Síť čtyřnásobných odporů zakroužkovaná červeně musí být odspájkována. Jiné destruktivnější metody jsou také v pořádku, ale vyhněte se přemostění padů ve vnitřní řadě 4 padů (směrem k boku MCU). Ostatní 4 pady jsou stejně spojeny pomocí desek plošných spojů. Tato úprava je nezbytná k tomu, aby pin SQW mohl fungovat jako alarm. Bez vyjmutí odporů to nebude fungovat, dokud k modulu nepřipojíte napájení VCC, což poruší účel mít RTC s velmi nízkým výkonem.

Krok 2: Schematické zásady

Mezi hlavní priority návrhu patřily:

• Provoz na baterie s nízkou spotřebou proudu v režimu spánku
• Kompaktní design

Zdroj napájení

Dvě 3,6V Saft lithiové thionylové AA baterie. P-kanálový MOSFET pro ochranu proti přepólování.

V obvodu jsou dva regulátory napětí:

• Texas Instruments TPS562208 2 A zesilovač s redukcí k napájení SIM800L na přibližně 4,1 V. Toto je přepínatelné z ATMega a většinu času se přepíná do režimu vypnutí pomocí Enable pin 5.
• Regulátor MCP1700 3,3 V pro ATMega a BME280. Jedná se o extrémně účinný nízkotlaký regulátor s klidovým proudem pouze kolem 1 µA. Protože je tolerantní pouze do 6V vstupu, přidal jsem do série dvě usměrňovací diody (D1, D2), abych snížil napájení 7,2V na přijatelnou úroveň kolem 6V. Zapomněl jsem přidat obvyklý 10 µF oddělovací kondenzátor na DPS pro napájení na ATMega. Proto jsem upgradoval obvyklý výstupní kondenzátor na MCP1700 z 1 na 10 µF a funguje to dobře.
• Monitorování napětí baterie pomocí ADC0 na ATMega (přes dělič napětí)

Hodiny reálného času

Upravený DS3231, který probouzí ATMega v určených intervalech, aby zahájil cyklus měření a přenosu dat. Samotný DS3231 je napájen lithiovým článkem CR2032.

BME280

Zkoušel jsem použít originální modul Bosch BME280 samostatně, který je téměř nemožné pájet kvůli jeho malé velikosti. Proto používám široce dostupný breakout board. Protože to má zbytečný regulátor napětí, který spotřebovává energii, těsně před měřením jej zapnu N-kanálovým MOSFETem.

SIM800L

Tento modul je spolehlivý, ale zdá se být docela temperamentní, pokud napájecí zdroj není dostatečně pevný. Zjistil jsem, že nejlépe funguje napájecí napětí 4,1 V. Udělal jsem stopy PCB pro VCC a GND na SIM800L extra silné (20 mil).

Schématické/PCB komentáře

• Síťový štítek „1“- uvedený v seznamu dílů jako „SINGLEPIN“jednoduše odkazuje na kolíkový konektor.
• Dva kolíky sousedící s posuvným přepínačem musí být pro normální provoz přemostěny propojkou, jinak je zde otevřena linka VCC. V případě potřeby jsou určeny pro měření proudu.
• Kondenzátor 100 µF (C12) pro modul SIM800L není nutný. Bylo přidáno jako preventivní (zoufalé) opatření v případě očekávaných problémů se stabilitou

Doporučené kroky montáže

1. Sestavte všechny součásti napájecího zdroje v levé dolní části desky plošných spojů. Aktivační pin (pin 5) TPS562208 musí být pro testování na logické výšce, jinak je modul v režimu vypnutí a budete mít výstup 0V. K vytažení aktivačního kolíku vysoko pro testování lze k bodu VCC připojit dočasný vodič z padu 9 ATMega (který je na desce plošných spojů připojen k PIN 5 regulátoru napětí); nejbližší bod by byl ke spodnímu kolíku R3, který leží na čáře VCC.
2. Otestujte výstup z TPS562208 mezi spodními piny C2, C3 nebo C4 a GND. Měli byste mít kolem 4,1 V.
3. Otestujte výstup z MCP1700 mezi pravým horním kolíkem U6 a GND. Měli byste mít 3,3 V.
4. Pájka ATMega328P; sledujte značku kolíku 1 v levém horním rohu. Určitá praxe nutná, ale ne příliš obtížná.
5. Vypálit bootloader na ATMega328 - návody na toto jinde. K připojení k MOSI, MISO, SCK a RST nemusíte nutně používat záhlaví pinů. Vypálení zavaděče trvá několik sekund, můžete použít dráty Dupont a trochu angulace, abyste dosáhli dobrého kontaktu.
6. Připojte 5x zásuvku samice pro DS3231.
7. Pájejte SIM800L pomocí konektorů se zástrčkou
8. Pájka BME280
9. Nahrajte kód do Arduino IDE pomocí adaptéru USB2TTL (jako cíl vyberte Arduino Uno/Genuino).

Krok 3: Arduino kód

Viz zdrojový kód Arduino v příloze souboru.

Krok 4: Test v reálném světě

Vyvrtal jsem dva malé otvory na pravé straně pouzdra jen hluboko na přední stranu. Zevnitř jsem je zakryl záplaty Goretex, které umožňovaly výměnu vzduchu, ale vyloučily vodu. Přidal jsem dodatečnou ochranu proti dešti s malými plastovými střechami. Poté vložím celou sestavu do pouzdra tak, aby součásti směřovaly dopředu a baterie směřovala k víku. Do pouzdra přidám trochu silikonového tuku pro zvýšení ochrany proti vniknutí vody.

Jednotka je aktuálně „instalována“vedle říčky. Zde je živý datový kanál.