ახალი უსადენო IOT სენსორის ფენა სახლის გარემოს მონიტორინგის სისტემისთვის: 5 ნაბიჯი (სურათებით)

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:18

ეს ინსტრუქცია აღწერს დაბალბიუჯეტიან, ბატარეაზე მომუშავე უკაბელო IOT სენსორის ფენას ჩემი ადრეული ინსტრუქციისთვის: LoRa IOT Home გარემოსდაცვითი მონიტორინგის სისტემა. თუ თქვენ ჯერ არ გინახავთ ეს ადრინდელი ინსტრუქცია, გირჩევთ წაიკითხოთ შესავალი სისტემის შესაძლებლობების მიმოხილვისათვის, რომელიც ახლა ვრცელდება ამ ახალ სენსორულ ფენაზე.

ორიგინალური LoRa IOT სახლის გარემოს მონიტორინგის სისტემამ მიაღწია იმ მიზნებს, რაც მე დავადგინე, როდესაც გამოქვეყნდა 2017 წლის აპრილში. თუმცა, მონიტორინგის სისტემის გამოყენების შემდეგ რამდენიმე თვის განმავლობაში, სახლის თითოეულ სართულზე ტემპერატურისა და ტენიანობის მონიტორინგისთვის, მინდოდა დაამატეთ კიდევ 11 სენსორი სახლის განსაკუთრებით დაუცველ ადგილებში; სარდაფში სტრატეგიულად განთავსებული ექვსი სენსორი, თითოეულ აბაზანაში სენსორი და სხვენი სხვენში, სამრეცხაოსა და სამზარეულოში.

იმის ნაცვლად, რომ დავამატო LoRa– ზე დაფუძნებული სენსორები ადრინდელი Instructable– დან, რომლებიც გარკვეულწილად ძვირია და იკვებება AC გადამყვანებით, მე გადავწყვიტე დავამატო დაბალი ღირებულების ფენა, ბატარეაზე მომუშავე სენსორები 434 MHz RF Link გადამცემების გამოყენებით. არსებული LoRa IOT გარემოს მონიტორინგის სისტემასთან თავსებადობის შესანარჩუნებლად დავამატე უკაბელო ხიდი, რომ მივიღო 434-MHz პაკეტები და ხელახლა გადავეცი LoRa პაკეტების სახით 915-MHz.

ახალი სენსორული ფენა შედგება შემდეგი ქვესისტემებისგან:

1. 434 -MHz უკაბელო დისტანციური მართვის პულტი - აკუმულატორის მუშაობის ტემპერატურა და ტენიანობის სენსორები
2. უკაბელო ხიდი - იღებს 434 -MHz პაკეტებს და ხელახლა გადასცემს მათ LoRa პაკეტების სახით.

434-მეგაჰერციანი უსადენო დისტანციური მართვის სისტემა იყენებს LoRa რადიოებთან შედარებით დაბალ გადამცემ ენერგიას და ნაკლებად მძლავრ პროტოკოლებს, ამიტომ სახლის უკაბელო ხიდის ადგილმდებარეობა არჩეულია 434-მეგაჰერციან უსადენო დისტანციებთან საიმედო კომუნიკაციის უზრუნველსაყოფად. უკაბელო ხიდის გამოყენება 434 MHz უსადენო დისტანციურ დისტანციებთან კომუნიკაციის ოპტიმიზაციის საშუალებას იძლევა ყოველგვარი შეზღუდვის გარეშე, სადაც მდებარეობს LoRa IOT Gateway.

434 MHz უკაბელო დისტანციური მართვის პულტი და უკაბელო ხიდი აგებულია ადვილად ხელმისაწვდომი აპარატურის მოდულებისა და რამდენიმე ინდივიდუალური კომპონენტის გამოყენებით. ნაწილების მიღება შესაძლებელია ადაფრუტის, სპარკფუნისა და დიგიკეისგან; ხშირ შემთხვევაში, ადაფრუტისა და სპარკფუნის ნაწილები ასევე ხელმისაწვდომია Digikey– დან. ტექნიკის შესაქმნელად საჭიროა კომპეტენტური შედუღების უნარ-ჩვევები, კერძოდ, 434-მეგაჰერციანი უსადენო დისტანციური პულტების წერტილოვანი გაყვანილობა. Arduino კოდი კარგად არის განმარტებული გაგებისა და ფუნქციონირების მარტივი გაფართოების მიზნით.

ამ პროექტის მიზნები მოიცავდა შემდეგს:

• იპოვნეთ დაბალი ღირებულების უკაბელო ტექნოლოგია, რომელიც შესაფერისია საყოფაცხოვრებო გარემოსთვის.
• შეიმუშავეთ ბატარეაზე მომუშავე უკაბელო სენსორი, რომელსაც შეუძლია რამდენიმე წელი იმუშაოს ერთ ბატარეაზე.
• არ მოითხოვოთ LoRa IOT Gateway აპარატურის ან პროგრამული უზრუნველყოფის ცვლილებები ჩემი ადრინდელი ინსტრუქციიდან.

434-მეგაჰერციანი უკაბელო დისტანციური მოწყობილობების საერთო ღირებულება, 3xAA ბატარეების გამოკლებით, 25 აშშ დოლარია, აქედან SHT31-D ტემპერატურისა და ტენიანობის სენსორი ნახევარზე მეტს შეადგენს (14 აშშ დოლარი).

როგორც ჩემი ადრეული ინსტრუქციის LoRa დისტანციური მართვის საშუალებით, 434 MHz უკაბელო დისტანციური მართვის პულტი იღებს ტემპერატურისა და ტენიანობის მაჩვენებლებს და აცნობებს LoRa IOT Gateway– ს, უკაბელო ხიდის გავლით, ყოველ 10 წუთში. თერთმეტი 434 მეგაჰერციანი უსადენო დისტანციური მართვის მოწყობილობა ამოქმედდა 2017 წლის დეკემბერში 3 x AA ბატარეის გამოყენებით, ნომინალურად უზრუნველყოფდა 4.5 ვ. ბატარეის მაჩვენებლები თერთმეტი სენსორისგან 2017 წლის დეკემბერში იყო 4.57 ვ -დან 4.71 ვ -მდე, თექვსმეტი თვის შემდეგ, 2019 წლის მაისში, ბატარეის მაჩვენებლები 4.36 ვ -დან 4.55 ვ -მდე. საოპერაციო ძაბვის ფართო დიაპაზონის მქონე ნაწილების გამოყენებამ უნდა უზრუნველყოს სენსორების ფუნქციონირება კიდევ ერთი წლის ან მეტი ხნის განმავლობაში, იმ პირობით, რომ შენარჩუნდება RF კავშირის საიმედოობა, რადგან გადამცემი ენერგია მცირდება ბატარეის დაბალი ძაბვით.

434 MHz სენსორული ფენის საიმედოობა შესანიშნავი იყო ჩემს საყოფაცხოვრებო გარემოში. ახალი სენსორული ფენა განლაგებულია 4, 200 SqFt მზა სივრცეში და 1, 800 SqFt დაუმთავრებელი სარდაფის სივრცეში. სენსორები გამოყოფილია უკაბელო ხიდისგან 2 - 3 შიდა კედლისა და იატაკის/ჭერის კომბინაციით. LoRa IOT Gateway ჩემი ადრინდელი Instructable– დან აგზავნის SMS შეტყობინებას, თუკი კავშირი სენსორთან 60 წელზე მეტია დაკარგულია (6 გამოტოვებული ათი წუთიანი ანგარიში). ერთი სენსორი, იატაკზე კუთხეში სარდაფის შორს, დაწყობილი ყუთების უკან, დროდადრო გამოიწვევს კონტაქტის დაკარგვის გაფრთხილებას, თუმცა, ყველა შემთხვევაში სენსორთან ურთიერთობა ყოველგვარი ჩარევის გარეშე აღდგება.

გმადლობთ, რომ ესტუმრეთ ამ სასწავლო ინსტრუქციას და გთხოვთ, იხილოთ შემდეგი ნაბიჯები დამატებითი ინფორმაციისთვის.

1. ბატარეის უკაბელო სენსორის დიზაინი
2. 434-MHz უკაბელო დისტანციური აპარატურა
3. 434 MHz უსადენო დისტანციური პროგრამული უზრუნველყოფა
4. უკაბელო ხიდის აპარატურა
5. უკაბელო ხიდის პროგრამული უზრუნველყოფა

ნაბიჯი 1: უკაბელო სენსორის ბატარეის დიზაინი

434-მეგაჰერციანი უსადენო დისტანციის დიზაინი იყენებს შემდეგ ნაწილებს:

• ATtiny85 8 ბიტიანი AVR მიკროკონტროლერი
• Sensirion SHT31 -D - ტემპერატურისა და ტენიანობის სენსორის გარღვევის დაფა
• Sparkfun 434-MHz RF ბმული გადამცემი
• 10K Ohm რეზისტორი

დიზაინის ერთ -ერთი ადრეული გადაწყვეტილება იყო მოწყობილობების თავიდან აცილება, რომლებიც საჭიროებენ რეგულირებად 3.3V ან 5V და შეარჩიეთ ნაწილები, რომლებიც მუშაობენ ძაბვის ფართო დიაპაზონში. ეს გამორიცხავს ძაბვის რეგულატორების საჭიროებას, რომლებიც ენერგიის გამანადგურებლები არიან ბატარეაზე მომუშავე დიზაინში და აგრძელებს სენსორების მუშაობას, რადგან ისინი გააგრძელებენ ფუნქციონირებას უფრო დიდხანს, რადგან ბატარეის ძაბვა მცირდება დროთა განმავლობაში. არჩეული ნაწილების საოპერაციო ძაბვის დიაპაზონი შემდეგია:

• ATtiny85: 2.7V to 5.5V
• SHT31-D: 2.4V to 5.5V
• RF ბმული Tx: 1.5V to 12V

გარკვეული ზღვარის გათვალისწინებით, 434 MHz უკაბელო დისტანციური მართვის პულტი ფუნქციურად უნდა მუშაობდეს 3V ბატარეის ძაბვამდე. როგორც უკვე აღვნიშნეთ, მხოლოდ გასარკვევია, რამდენად კარგად არის დაცული RF კავშირის საიმედოობა, რადგან გადამცემი ენერგია მცირდება ბატარეის დაბალი ძაბვით.

გადაწყვეტილება მიიღეს 3 x AA ბატარეის გამოყენებით, რათა უზრუნველყონ ნომინალური საწყისი ძაბვა 4.5V. 16 თვიანი მუშაობის შემდეგ, ბატარეის ყველაზე დაბალი ძაბვა არის 4.36 ვ.

ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) გამოიყენება 434-MHz უსადენო დისტანციური მართვის ძილის რეჟიმში უმეტეს დროს. ATtiny85 იღვიძებს WDT ყოველ 8 წამში 10 წუთის მრიცხველის გასაზრდელად; 10 წუთის ინტერვალის მიღწევისას ხდება გაზომვის ჩატარება და მონაცემთა პაკეტის გადაცემა.

ენერგიის მოხმარების შემდგომი შემცირების მიზნით, SHT31-D და RF Link გადამცემი იკვებება ციფრული I/O პორტის პინიდან ATtiny85 კონფიგურაციით, როგორც გამომავალი. სიმძლავრე გამოიყენება მაშინ, როდესაც I/O პინი მართულია მაღალი (1) და ამოღებულია, როდესაც I/O პინი დაბალია (0). პროგრამული უზრუნველყოფის საშუალებით, ენერგია გამოიყენება მხოლოდ ამ პერიფერიულ მოწყობილობებზე ყოველ 10 წუთში 1 - 2 წამის განმავლობაში, სანამ გაზომვები მიიღება და გადადის. იხილეთ 434-MHz უსადენო დისტანციური პროგრამული უზრუნველყოფა შესაბამისი პროგრამული უზრუნველყოფის აღწერისთვის.

ერთადერთი სხვა კომპონენტი, რომელიც გამოიყენება 434-MHz უსადენო დისტანციურ მოწყობილობაში, არის 10K ohm რეზისტორი, რომელიც გამოიყენება ATtiny85– ზე Reset pin– ის ასამაღლებლად.

ადრეულმა დიზაინმა გამოიყენა რეზისტენტული ძაბვის გამყოფი ბატარეაზე, რათა შესაძლებელი ყოფილიყო ADC pin ATTINY85– ზე ბატარეის ძაბვის გაზომვა. მიუხედავად იმისა, რომ მცირეა, ამ ძაბვის გამყოფმა მუდმივი დატვირთვა მოახდინა ბატარეაზე. ზოგიერთმა კვლევამ გამოავლინა ხრიკი, რომელიც იყენებს ATtiny85 შიდა 1.1V ბენდის უფსკრული საცნობარო ძაბვას Vcc (ბატარეის ძაბვა) გასაზომად. ADC საცნობარო ძაბვის Vcc– ზე დაყენებით და შიდა 1.1V საცნობარო ძაბვის გაზომვით, შესაძლებელია Vcc– ის ამოხსნა. ATtiny85 შიდა 1.1V საცნობარო ძაბვა არის მუდმივი, ვიდრე Vcc> 3V. იხილეთ 434-MHz უსადენო დისტანციური პროგრამული უზრუნველყოფა შესაბამისი პროგრამული უზრუნველყოფის აღწერისთვის.

ATtiny85– სა და SHT31-D– ს შორის კავშირი ხდება I2C ავტობუსით. Adafruit SHT31-D გარღვევის დაფა მოიცავს გამყვანი რეზისტორებს I2C ავტობუსისთვის.

კავშირი ATtiny85- სა და RF Link გადამცემს შორის არის ციფრული I/O pin- ის საშუალებით, რომელიც კონფიგურირებულია როგორც გამომავალი. RadioHead Packet რადიო ბიბლიოთეკა RH_ASK გამოიყენება RF ბმული გადამცემის ჩართვის-გამორთვის გასაღებისთვის (OOK / ASK) ამ ციფრული I / O პინის საშუალებით.

ნაბიჯი 2: 434 MHz უკაბელო დისტანციური აპარატურა

ნაწილების სია:

1 x Adafruit 1/4 ზომის პურის დაფა, Digikey PN 1528-1101-ND

1 x ბატარეის დამჭერი 3 x AA უჯრედები, Digikey PN BC3AAW-ND

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

1 x Sparkfun RF ბმულის გადამცემი (434-MHz), Digikey PN 1568-1175-ND

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

1 x 8 პინიანი DIP სოკეტი, Digikey PN AE10011-ND

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

6,75 / 17 სმ სიგრძე 18AWG ემალირებული სპილენძის მავთულის

1 x ცალი ორმხრივი ქაფის ლენტი

18 / 45 სმ მავთულის შესაფუთი მავთული

სოკეტი გამოიყენება ATtiny85– ისთვის, რადგან მიკროსქემის პროგრამირება არ არის მხარდაჭერილი.

SHT31-D გარღვევის დაფა, RF ლინკის გადამცემი, 8 პინიანი DIP სოკეტი და ანტენის მავთულები არის შეკრული პურის დაფაზე, როგორც ეს მოცემულია ზემოთ მოცემულ ფოტოში. ამოიღეთ მინანქარი 18AWG ანტენის მავთულის 1/4 დიუმიდან პურის დაფაზე შედუღებამდე.

10K ohm რეზისტორი არის soldered on breadboard შორის ქინძისთავები 1 და 8 of 8-Pin DIP სოკეტი.

მავთულის შესაფუთი მავთული იჭრება პურის დაფის უკანა ნაწილზე, რათა მოხდეს კომპონენტებს შორის კავშირი წინა საფეხურზე ნაჩვენები უკაბელო დისტანციური სქემატური დიაგრამის შესაბამისად.

ბატარეის დამჭერიდან დადებითი და უარყოფითი მიერთება ხდება "+" და "-" ავტობუსების ერთ კომპლექტზე, შესაბამისად, პურის დაფაზე.

434-MHz უსადენო დისტანციური მართვის ტესტირება ხდება უსადენო ხიდთან და LoRa IOT Gateway– ით. 434-მეგაჰერციანი უსადენო დისტანციური მართვის სისტემა დაუყოვნებლივ გაგზავნის პაკეტს ბატარეების ჩადებისას და შემდგომ ყოველ minutes 10 წუთში. 434-MHz სენსორული ფენიდან უკაბელო პაკეტის მიღებისთანავე, უკაბელო ხიდზე მწვანე LED ანათებს ~ 0.5 წამში. სადგურის სახელი, ტემპერატურა და ტენიანობა უნდა იყოს ნაჩვენები LoRa IOT Gateway– ით, თუ 434 MHz უსადენო დისტანციური სადგურის ნომერი გათვალისწინებულია კარიბჭეში.

მას შემდეგ, რაც უკაბელო დისტანციური სისტემა დატესტილია კარგად დაპროგრამებული ATtiny85– ით, ორმხრივი ქაფის ლენტის ნაჭერი, იმავე ზომით დაჭრილი, როგორც დაფა, გამოიყენება დასრულებული პურის დაფის დასატენად ბატარეის დამჭერზე.

ნაბიჯი 3: 434 MHz უსადენო დისტანციური პროგრამული უზრუნველყოფა

434-MHz უსადენო დისტანციური პროგრამული უზრუნველყოფა თან ერთვის ამ ნაბიჯს და კარგად არის კომენტარი.

მე დავპროგრამე ATtiny85 მიკროკონტროლერები Sparkfun Tiny AVR პროგრამისტის და Arduino IDE გამოყენებით. Sparkfun– ს აქვს ვრცელი გაკვეთილი, თუ როგორ უნდა დააყენოთ დრაივერები და ა.შ. და როგორ დააინსტალიროთ პროგრამისტი Arduino IDE– სთან.

მე დავამატე ZIF (Zero Insertion Force) სოკეტი Tiny AVR პროგრამისტს, რათა ადვილი იყოს პროგრამისტიდან ჩიპების დამატება და ამოღება.

ნაბიჯი 4: უკაბელო ხიდის აპარატურა

ნაწილების სია:

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 რადიო გადამცემი დაფა (915-MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

1 x Sparkfun RF ბმული მიმღები (434-MHz), Digikey PN 1568-1173-ND

1 x 8 პინიანი DIP სოკეტი, Digikey PN AE10011-ND

6,75 / 17 სმ სიგრძე 18AWG ემალირებული სპილენძის მავთულის

3.25 / 8.5 სმ სიგრძე 18AWG ემალირებული სპილენძის მავთული

24 / 61 სმ მავთულის შესაფუთი მავთული

1 x USB კაბელი A / MicroB, 3 ფუტი, Adafruit PID 592

1 x 5V 1A USB პორტის კვების წყარო, Adafruit PID 501

შეაგროვეთ პროტოტიპის ფარი Adafruit.com– ის ინსტრუქციის შესაბამისად.

შეიკრიბეთ RFM95W LoRa გადამცემი დაფა Adafruit.com– ის ინსტრუქციის შესაბამისად. 3.25 " / 8.5 სმ სიგრძის 18AWG მავთული გამოიყენება ანტენისთვის და იგი იკვებება უშუალოდ გადამცემი დაფაზე მას შემდეგ, რაც მავთულიდან 1/4" მინანქარი ამოიღება.

ფრთხილად გაჭერით 8-პინიანი DIP სოკეტი ნახევარ სიგრძეზე, რათა შექმნათ 4-პინიანი SIP სოკეტების ორი ნაკრები.

შეაერთეთ ორი 4-პინიანი SIP სოკეტი პროტოტიპების ფარს, როგორც ნაჩვენებია. ისინი გამოყენებული იქნება RF ბმულის მიმღების ჩასართავად, ასე რომ დარწმუნდით, რომ ისინი სწორ ხვრელებშია, რათა შეხამდეს RF ბმულის გადამცემთან.

შეაერთეთ RFM9W LoRa გადამცემი დაფა პროტოტიპების ფარზე, როგორც ნაჩვენებია.

Arduino Uno– სა და RFM9W გადამცემ დაფას შორის დამყარებულია შემდეგი კავშირები პროტოტიპების დაფის ზედა მხარეს მავთულის შესაფუთი მავთულის გამოყენებით:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, RadioHead ბიბლიოთეკა იყენებს Interrupt 0 ამ პინზე

RFM9W SCK Arduino ICSP სათაური, პინ 3

RFM9W MISO Arduino ICSP სათაური, პინი 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP სათაური, პინ 4

RFM9W CS Arduino ციფრული I/O პინი 8

RFM9W RST Arduino ციფრული I/O Pin 9

შემდეგი კავშირები მზადდება პროტოტიპის დაფის ქვედა მხარეს:

RFM9W VIN პროტოტიპის დაფა 5V ავტობუსი

RFM9W GND ავტობუსი პროტოტიპირების დაფაზე (GND)

RF Link Rx Pin 1 (GND) პროტოტიპირების დაფის გრუნტის (GND) ავტობუსი

RF ბმული Rx Pin 2 (მონაცემების გამოტანა) Arduino ციფრული I/O პინ 6

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) პროტოტიპის დაფა 5V ავტობუსი

Proto Board მწვანე LED Arduino ციფრული I/O Pin 7

RF ბმულის მიმღების პინ ინფორმაცია ხელმისაწვდომია www.sparkfun.com.

ამოიღეთ მინანქარი 6,75 სიგრძის 18AWG მავთულის 1/4 'და ჩადეთ იგი პროტოტიპის დაფის ხვრელში RF Link Rx Pin 8 (ანტენა) უშუალოდ მიმდებარედ. ხვრელში ჩასმისთანავე გადაიხურეთ გაშიშვლებული ბოლო დაუკავშირდით RF Link Rx Pin 8 -ს და შეაერთეთ იგი ადგილზე.

დაპროგრამეთ Arduino Uno მომდევნო საფეხურზე მოცემული ესკიზით. გადატვირთვის ან ჩართვისას მწვანე LED ორჯერ აანთებს 0.5 წმ. 434-MHz სენსორული ფენიდან უკაბელო პაკეტის მიღებისას მწვანე LED ანათებს ~ 0.5 წამში.

ნაბიჯი 5: უკაბელო ხიდის პროგრამული უზრუნველყოფა

უკაბელო ხიდის პროგრამული უზრუნველყოფა თან ერთვის ამ ნაბიჯს და კარგად არის კომენტარი.