Nová vrstva bezdrátového senzoru IOT pro domácí monitorovací systém prostředí: 5 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Tento Instructable popisuje levnější, bateriemi napájenou bezdrátovou senzorovou vrstvu IOT pro můj dřívější Instructable: LoRa IOT Home Environmental Monitoring System. Pokud jste si tento dřívější Instructable ještě nepřehlédli, doporučuji si přečíst úvod, kde najdete přehled možností systému, které jsou nyní rozšířeny na tuto novou vrstvu senzorů.

Původní domácí monitorovací systém životního prostředí LoRa IOT dosáhl cílů, které jsem si stanovil při zveřejnění v dubnu 2017. Po několika měsících používání monitorovacího systému ke sledování teploty a vlhkosti v každém patře domu jsem však chtěl přidejte dalších 11 senzorů na obzvláště zranitelná místa v domě; včetně šesti senzorů strategicky umístěných v suterénu, senzorů v každé koupelně a senzoru v podkroví, prádelně a kuchyni.

Než abych přidal další senzory založené na LoRa z dřívějšího Instructable, které jsou poněkud drahé a napájené přes AC adaptéry, rozhodl jsem se přidat vrstvu levnějších, bateriemi napájených senzorů využívajících vysílače RF Link 434 MHz. Aby byla zachována kompatibilita se stávajícím domácím monitorovacím systémem prostředí LoRa IOT Home, přidal jsem bezdrátový most pro příjem paketů 434 MHz a jejich opětovné vysílání jako pakety LoRa na 915 MHz.

Nová vrstva senzoru se skládá z následujících subsystémů:

1. Bezdrátové dálkové ovladače 434 MHz - senzory teploty a vlhkosti napájené baterií
2. Wireless Bridge - Přijímá pakety 434 MHz a znovu je vysílá jako pakety LoRa.

Bezdrátové dálkové ovladače 434 MHz používají nižší vysílací výkon a méně robustní protokoly ve srovnání s rádii LoRa, takže umístění Wireless Bridge v domě je vybráno tak, aby zajišťovalo spolehlivou komunikaci se všemi bezdrátovými dálkovými ovladači 434 MHz. Použití bezdrátového mostu umožňuje optimalizovat komunikaci s bezdrátovými dálkovými ovladači 434 MHz bez jakéhokoli omezení na umístění brány LoRa IOT.

Bezdrátové dálkové ovladače 434 MHz a bezdrátový most jsou postaveny pomocí snadno dostupných hardwarových modulů a několika jednotlivých komponent. Díly lze získat od společností Adafruit, Sparkfun a Digikey; v mnoha případech jsou díly Adafruit a Sparkfun k dispozici také od společnosti Digikey. K sestavení hardwaru jsou zapotřebí kompetentní pájecí schopnosti, zejména zapojení point-to-point bezdrátových dálkových ovladačů 434 MHz. Kód Arduino je dobře srozumitelný pro pochopení a umožnění snadného rozšíření funkcí.

Cíle tohoto projektu zahrnovaly následující:

• Najděte bezdrátovou technologii s nižšími náklady vhodnou pro domácí prostředí.
• Vyvinout bezdrátový senzor napájený bateriemi, který bude fungovat několik let na jednu sadu baterií.
• Nevyžadovat žádné úpravy hardwaru ani softwaru brány LoRa IOT z mého dřívějšího Instructable.

Celkové náklady na součásti bezdrátových dálkových ovladačů 434 MHz, vyjma baterií 3xAA, činí 25 USD, z toho snímač teploty a vlhkosti SHT31-D tvoří více než polovinu (14 USD).

Stejně jako u dálkových ovladačů LoRa z mého dřívějšího Instructable, 434 MHz bezdrátové dálkové ovladače odečítají teplotu a vlhkost a každých 10 minut se hlásí do LoRa IOT Gateway prostřednictvím bezdrátového mostu. Jedenáct bezdrátových dálkových ovladačů 434 MHz bylo uvedeno do provozu v prosinci 2017 pomocí 3 x baterií AA nominálně poskytujících 4,5 V. Odečty baterií z jedenácti senzorů v prosinci 2017 se pohybovaly od 4,57 V do 4,71 V, o šestnáct měsíců později v květnu 2019 se hodnoty baterií pohybovaly od 4,36 V do 4,55 V. Použití dílů s širokým rozsahem provozního napětí by mělo zajistit provoz senzorů na další rok nebo déle, s výhradou zachování spolehlivosti RF spojení, protože vysílací výkon se snižuje s nižším napětím baterie.

Spolehlivost senzorové vrstvy 434 MHz byla v mém domácím prostředí vynikající. Nová vrstva senzoru je rozmístěna na 4 200 SqFt hotového prostoru a 1 800 SqFt nedokončeného sklepního prostoru. Senzory jsou od Wireless Bridge odděleny kombinací 2 - 3 vnitřních stěn a podlahy/stropů. Brána LoRa IOT z mého dřívějšího Instructable odešle upozornění SMS, pokud dojde ke ztrátě komunikace se senzorem na více než 60 minut (6 zmeškaných desetiminutových hlášení). Jeden senzor, na podlaze v rohu na vzdáleném konci suterénu za naskládanými krabicemi, způsobí každou chvíli upozornění na ztracený kontakt, ve všech případech se však komunikace se senzorem obnoví bez jakéhokoli zásahu.

Děkujeme vám za návštěvu tohoto pokynu a další informace naleznete v následujících krocích.

1. Bateriový design bezdrátového senzoru
2. Bezdrátový dálkový hardware 434 MHz
3. Bezdrátový dálkový software 434 MHz
4. Hardware Wireless Bridge
5. Software Wireless Bridge

Krok 1: Návrh bezdrátového senzoru na baterie

Konstrukce bezdrátového dálkového ovladače 434 MHz využívá následující části:

• ATtiny85 8bitový mikrokontrolér AVR
• Sensirion SHT31 -D - Breakout Board senzoru teploty a vlhkosti
• RF vysílač Sparkfun 434 MHz
• Rezistor 10K Ohm

Jedním z prvních návrhových rozhodnutí bylo vyhnout se zařízením, která vyžadují regulované napětí 3,3 V nebo 5 V, a vybrat součásti, které pracují v širokém rozsahu napětí. To eliminuje potřebu napěťových regulátorů, které jsou energeticky náročné v provedení napájeném bateriemi, a prodlužuje životnost senzorů, protože budou i nadále fungovat déle, protože napětí baterie v průběhu času klesá. Rozsahy provozního napětí pro vybrané části jsou následující:

• ATtiny85: 2,7 V až 5,5 V.
• SHT31-D: 2,4 V až 5,5 V.
• RF Link Tx: 1,5 V až 12V

Bez ohledu na určitou rezervu by bezdrátové ovladače 434 MHz měly funkčně fungovat až do napětí baterie 3V. Jak již bylo uvedeno, zbývá zjistit, jak dobře je spolehlivost RF spojení udržována, protože vysílací výkon se snižuje s nižším napětím baterie.

Bylo rozhodnuto použít 3 x baterie AA k zajištění jmenovitého počátečního napětí 4,5 V. Po 16 měsících provozu je nejnižší naměřené napětí baterie 4,36V.

ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) slouží k udržení bezdrátového dálkového ovladače 434 MHz po většinu času v režimu spánku. ATtiny85 je probuzen WDT každých 8 sekund, aby se zvýšil 10minutový čítač; po dosažení 10minutového intervalu se provede měření a odešle se datový paket.

Pro další minimalizaci spotřeby energie jsou vysílače SHT31-D a RF Link napájeny z digitálního portu I/O portu na ATtiny85 nakonfigurovaném jako výstup. Napájení je aplikováno, když je I/O pin poháněn High (1), a odebíráno, když je I/O pin poháněn Low (0). Prostřednictvím softwaru je napájení prováděno a přenášeno pouze na tyto periferie každých 10 minut po dobu 1 až 2 sekund. Popis souvisejícího softwaru viz Bezdrátový dálkový software 434 MHz.

Jedinou další komponentou používanou v bezdrátovém dálkovém ovladači 434 MHz je odpor 10 K ohmů používaný k vytažení resetovacího kolíku na ATtiny85.

Časný návrh používal odporový dělič napětí napříč baterií, aby umožnil kolíku ADC na ATTINY85 měřit napětí baterie. Přestože byl tento dělič napětí malý, kladl na baterii konstantní zátěž. Některé výzkumy odhalily trik, který používá k měření Vcc (napětí baterie) interní referenční napětí pásma ATtiny85 s mezerou 1,1 V. Nastavením referenčního napětí ADC na Vcc a měřením interního referenčního napětí 1,1 V je možné vyřešit Vcc. Interní referenční napětí 1,1 V ATtiny85 je konstantní, pokud Vcc> 3V. Popis souvisejícího softwaru viz Bezdrátový dálkový software 434 MHz.

Komunikace mezi ATtiny85 a SHT31-D probíhá po sběrnici I2C. Odlamovací deska Adafruit SHT31-D obsahuje výsuvné odpory pro sběrnici I2C.

Komunikace mezi ATtiny85 a vysílačem RF Link probíhá přes digitální I/O pin nakonfigurovaný jako výstup. Rádiová knihovna paketů RadioHead RH_ASK se používá k zapnutí / vypnutí klíče (OOK / ASK) vysílače RF Link přes tento digitální I / O pin.

Krok 2: Bezdrátový vzdálený hardware 434 MHz

Seznam dílů:

1 x prkénko velikosti Adafruit 1/4, Digikey PN 1528-1101-ND

1 x držák baterie 3 x články AA, Digikey PN BC3AAW-ND

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

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

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

1 x 8pinová zásuvka DIP, Digikey PN AE10011-ND

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

17 cm délka 18AWG smaltovaného měděného drátu 6,75 / 17 cm

1 x oboustranná pěnová páska

Ovinovací drát o průměru 18 / 45 cm

Pro ATtiny85 je použita zásuvka, protože programování v obvodu není podporováno.

Oddělovací deska SHT31-D, vysílač RF Link, 8kolíková zásuvka DIP a drát antény jsou připájeny na prkénko, jak je znázorněno na fotografii výše. Před pájením na prkénko odstraňte smalt z 1/4 anténního drátu 18AWG.

Rezistor 10K ohmů je připájen na desce mezi piny 1 a 8 8pinové zásuvky DIP.

Drát pro ovíjení drátu je připájen na zadní straně prkénka, aby se vytvořily vazby mezi součástmi v souladu se schematickým diagramem Wireless Remote zobrazeným v předchozím kroku.

Kladné a záporné vývody z držáku baterie jsou připájeny k jedné sadě sběrnic „+“a „-“na desce, resp.

Bezdrátový dálkový ovladač 434 MHz je testován s bezdrátovým mostem a bránou LoRa IOT. Bezdrátový dálkový ovladač 434 MHz okamžitě odešle paket při každém vložení baterií a poté každých ~ 10 minut. Po přijetí bezdrátového paketu z vrstvy senzoru 434 MHz zelená LED dioda na bezdrátovém můstku bliká přibližně 0,5 s. Pokud je v bráně zřízeno číslo bezdrátové dálkové stanice 434 MHz, měl by název stanice, teplota a vlhkost zobrazovat brána LoRa IOT.

Jakmile je bezdrátový ovladač testován v pořádku s naprogramovaným ATtiny85, kus oboustranné pěnové pásky, nastříhaný na stejnou velikost jako prkénko, se použije k připevnění hotového prkénka k držáku baterie.

Krok 3: Bezdrátový dálkový software 434 MHz

K tomuto kroku je připojen software 434 MHz pro bezdrátové dálkové ovládání a je dobře komentovaný.

Mikroprocesory ATtiny85 jsem naprogramoval pomocí programátoru Sparkfun Tiny AVR a Arduino IDE. Sparkfun má rozsáhlý návod, jak nastavit ovladače atd. A jak přimět programátora pracovat s Arduino IDE.

Do Tiny AVR Programmer jsem přidal zásuvku ZIF (Zero Insertion Force), aby bylo snadné přidávat a odebírat čipy z programátoru.

Krok 4: Hardware Wireless Bridge

Seznam dílů:

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 Transceiver Board (915-MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

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

1 x 8pinová zásuvka DIP, Digikey PN AE10011-ND

17 cm délka 18AWG smaltovaného měděného drátu 6,75 / 17 cm

3,25 palce / 8,5 cm délka 18AWG smaltovaného měděného drátu

Ovinovací drát o průměru 24 / 61 cm

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

1 x 5V 1A napájecí port USB, Adafruit PID 501

Sestavte prototypový štít podle pokynů na Adafruit.com.

Sestavte desku transceiveru RFM95W LoRa podle pokynů na Adafruit.com. Pro anténu je použit drát 18AWG o délce 3,25 " / 8,5 cm a je připájen přímo na desku transceiveru po odstranění 1/4" smaltu z drátu.

Opatrně rozřízněte 8kolíkovou zásuvku DIP na poloviční délky a vytvořte dvě sady 4kolíkových zásuvek SIP.

Připájejte dvě 4pinové zásuvky SIP k prototypovému štítu, jak je znázorněno na obrázku. Ty budou použity k připojení přijímače RF Link, takže se před pájením ujistěte, že jsou ve správných otvorech, aby odpovídaly vysílači RF Link.

Desku transceiveru RFM9W LoRa připájejte na prototypový štít, jak je znázorněno na obrázku.

Následující spojení jsou provedena mezi Arduino Uno a deskou transceiveru RFM9W pomocí drátu ovíjejícího drát na horní straně prototypovací desky:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, knihovna RadioHead používá na tomto pinu přerušení 0

RFM9W SCK Arduino ICSP konektor, pin 3

RFM9W MISO Arduino ICSP konektor, pin 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP záhlaví, pin 4

RFM9W CS Arduino Digital I/O Pin 8

RFM9W RST Arduino Digital I/O Pin 9

Na spodní straně desky prototypu jsou provedena následující připojení:

RFM9W VIN Prototypovací deska 5V sběrnice

RFM9W GND Sběrnice uzemnění prototypové desky (GND)

RF Link Rx Pin 1 (GND) Uzemnění sběrnice prototypové desky (GND)

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

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Prototypovací deska 5V sběrnice

Proto Board Green LED Arduino Digital I/O Pin 7

Informace o pinech pro přijímač RF spojení jsou k dispozici na www.sparkfun.com.

Odizolujte smalt z 1/4 '6,75 délky 18AWG drátu a vložte jej do otvoru pro prototypovací desku bezprostředně sousedící s RF Link Rx Pin 8 (anténa). Po vložení do otvoru ohněte odizolovaný konec tak, aby kontakt s RF Link Rx Pin 8 a připájejte jej na místo.

Naprogramujte Arduino Uno pomocí náčrtu uvedeného v dalším kroku. Po resetu nebo zapnutí začne zelená LED dvakrát blikat po dobu 0,5 s. Po přijetí bezdrátového paketu z vrstvy senzoru 434 MHz zelená LED bliká přibližně 0,5 s.

Krok 5: Software Wireless Bridge

K tomuto kroku je připojen software Wireless Bridge a je dobře komentovaný.