Συμπαγής αισθητήρας καιρού με σύνδεση δεδομένων GPRS (κάρτα SIM): 4 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

περίληψη έργου

Πρόκειται για έναν αισθητήρα καιρού με μπαταρία, ο οποίος βασίζεται σε αισθητήρα θερμοκρασίας/πίεσης/υγρασίας BME280 και MCU ATMega328P. Λειτουργεί με δύο μπαταρίες λιθίου θειονυλ ΑΑ 3,6 V. Έχει εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ύπνου 6 μΑ. Στέλνει δεδομένα μισή ώρα μέσω GPRS (χρησιμοποιώντας μονάδα GSM SIM800L) στο ThingSpeak, που ελέγχεται από ρολόι πραγματικού χρόνου DS3231. Η εκτιμώμενη υπηρεσία σε ένα σετ μπαταρίας είναι> 6 μήνες.

Χρησιμοποιώ μια κάρτα SIM ASDA pay-as-you-go, η οποία προσφέρει εξαιρετικά καλές συνθήκες για τους σκοπούς αυτού του έργου, καθώς έχει πολύ μεγάλο χρόνο λήξης για πίστωση (180 ημέρες) και χρεώνει μόνο τον όγκο δεδομένων 5p/MB.

Κίνητρο: Ανάπτυξη ενός οικονομικού, μηδενικής συντήρησης, αυτόνομου, με μπαταρία περιβαλλοντικού αισθητήρα που μπορεί να τοποθετηθεί στην άγρια φύση για να αποκτήσει καιρικά ή άλλα δεδομένα και να μεταδοθεί μέσω δικτύου GSM/GPRS σε διακομιστή IoT.

Φυσικές διαστάσεις: 109 x 55 x 39 mm (συμπεριλαμβανομένων των φλαντζών θήκης). Βάρος 133 g. Βαθμολογία IP 54 (εκτιμώμενη).

Κόστος υλικού: Περίπου 20 per ανά μονάδα.

Χρόνος συναρμολόγησης: 2 ώρες ανά μονάδα (συγκόλληση στο χέρι)

Πηγή ενέργειας: Δύο μπαταρίες λιθίου θειονυλ AA, μη επαναφορτιζόμενες (3,6V, 2,6Ah).

Πρωτόκολλο δικτύου: GSM GPRS (2G)

Πιθανές χρήσεις: Οποιαδήποτε απομακρυσμένη τοποθεσία με κάλυψη σήματος GSM. Δάση, φάροι, σημαδούρες, ιδιωτικά σκάφη αναψυχής, τροχόσπιτα, κάμπινγκ, καλύβες ορεινών καταφυγίων, ακατοίκητα κτίρια

Δοκιμή αξιοπιστίας: Μία μονάδα υποβάλλεται σε μακροχρόνιες δοκιμές χωρίς επίβλεψη από τις 30.8.20. Εκτός από μια συντριβή λογισμικού, στέλνει δεδομένα αξιόπιστα κάθε 30 λεπτά.

Βήμα 1: Απαιτούμενα μέρη

• PCB κατά παραγγελία. Τα αρχεία με φερμουάρ Gerber εδώ (η διεύθυνση directoriesables φαίνεται να αποκλείει τις μεταφορτώσεις αρχείων ZIP). Συνιστώ ανεπιφύλακτα το jlcpcb.com για παραγωγή PCB. Για τους ανθρώπους που ζουν στο Ηνωμένο Βασίλειο, είμαι στην ευχάριστη θέση να σας στείλω ένα εφεδρικό PCB για μια ελάχιστη συνεισφορά στο κόστος υλικού και ταχυδρομείου - στείλτε μου μήνυμα.
• ATMega328P-AU
• Τροποποιημένο ρολόι πραγματικού χρόνου DS3231 (βλ. Παράγραφο παρακάτω)
• BME280 Breakout board, όπως αυτό
• Ενότητα SIM800L GSM GPRS
• Διάφορα εξαρτήματα SMD σύμφωνα με τη λεπτομερή λίστα.
• Hammond 1591, Μαύρο περίβλημα ABS, IP54, με φλάντζα, 85 x 56 x 35mm, από RS Components UK

Τροποποίηση του DS3231

Το δίκτυο τετραπλής αντίστασης που έχει κυκλωθεί με κόκκινο χρώμα πρέπει να ξεκολλήσει. Άλλες πιο καταστρεπτικές μέθοδοι είναι επίσης εντάξει, αλλά αποφύγετε τη γεφύρωση των μαξιλαριών στην εσωτερική σειρά των 4 επιθεμάτων (προς την πλευρά του MCU). Τα άλλα 4 τακάκια συνδέονται ούτως ή άλλως με ίχνη PCB. Αυτή η τροποποίηση είναι απαραίτητη για να επιτρέψει στο pin SQW να λειτουργεί ως συναγερμός. Χωρίς την αφαίρεση των αντιστάσεων, δεν θα λειτουργήσει μέχρι να συνδέσετε μια τροφοδοσία VCC στη μονάδα, η οποία καταργεί τον σκοπό της ύπαρξης ενός RTC πολύ χαμηλής ισχύος.

Βήμα 2: Σχηματικές αρχές

Οι κορυφαίες προτεραιότητες για το σχεδιασμό ήταν:

• Λειτουργία μπαταρίας με χαμηλή κατανάλωση ρεύματος ύπνου
• Συμπαγής σχεδιασμός

Παροχή ηλεκτρικού ρεύματος

Δύο μπαταρίες 3.6V Saft Lithium thionyl AA. Ένα MOSFET καναλιού P για προστασία αντίστροφης πολικότητας.

Υπάρχουν δύο ρυθμιστές τάσης στο κύκλωμα:

• Ένας ρυθμιστής κλίμακας Texas Instruments TPS562208 2 Amp για να τροφοδοτήσει το SIM800L στα 4,1V περίπου. Αυτό είναι εναλλάξιμο από το ATMega και τίθεται σε λειτουργία τερματισμού τις περισσότερες φορές μέσω Enable pin 5.
• Ένας ρυθμιστής MCP1700 3.3V για τα ATMega και BME280. Αυτός είναι ένας εξαιρετικά αποτελεσματικός ρυθμιστής χαμηλής πτώσης με ρεύμα ηρεμίας μόνο περίπου 1 μA. Καθώς είναι ανεκτική μόνο σε είσοδο έως 6V, πρόσθεσα δύο διόδους ανορθωτή (D1, D2) σε σειρά για να μειώσω την παροχή 7.2V σε αποδεκτό επίπεδο γύρω στα 6V. Ξέχασα να προσθέσω τον συνηθισμένο πυκνωτή αποσύνδεσης 10 μF στο PCB για την τροφοδοσία στο ATMega. Ως εκ τούτου, έχω αναβαθμίσει τον συνηθισμένο πυκνωτή εξόδου στο MCP1700 από 1 σε 10 μF και λειτουργεί καλά.
• Παρακολούθηση τάσης μπαταρίας μέσω ADC0 στο ATMega (μέσω διαχωριστή τάσης)

Ρολόι πραγματικού χρόνου

Ένα τροποποιημένο DS3231, το οποίο ξυπνά το ATMega σε καθορισμένα χρονικά διαστήματα για να ξεκινήσει ένας κύκλος μέτρησης και μετάδοσης δεδομένων. Το ίδιο το DS3231 τροφοδοτείται με κυψέλη λιθίου CR2032.

BME280

Δοκίμασα να χρησιμοποιήσω την αρχική μονάδα Bosch BME280 από μόνη της, η οποία είναι σχεδόν αδύνατο να συγκολληθεί λόγω του μικρού μεγέθους της. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιώ τον ευρέως διαθέσιμο πίνακα breakout. Καθώς αυτό έχει έναν περιττό ρυθμιστή τάσης, ο οποίος καταναλώνει ενέργεια, τον ενεργοποιώ με ένα MOSFET καναλιού Ν ακριβώς πριν από τις μετρήσεις.

SIM800L

Αυτή η μονάδα είναι αξιόπιστη, αλλά φαίνεται να είναι αρκετά ιδιοσυγκρασιακή εάν το τροφοδοτικό δεν είναι σταθερό. Διαπίστωσα ότι η τάση τροφοδοσίας 4.1V λειτουργεί καλύτερα. Έχω κάνει τα ίχνη PCB για VCC και GND στο SIM800L πολύ παχύ (20 mil).

Σχηματικά/σχόλια PCB

• Η ετικέτα δικτύου "1" - που αναφέρεται ως "SINGLEPIN" στη λίστα εξαρτημάτων αναφέρεται απλώς σε μια αντρική κεφαλίδα.
• Οι δύο ακίδες δίπλα στον διακόπτη διαφάνειας πρέπει να γεφυρωθούν με ένα βραχυκυκλωτήρα για κανονική λειτουργία, διαφορετικά η γραμμή VCC είναι ανοιχτή εδώ. Προορίζονται για τρέχουσες μετρήσεις, εάν χρειάζεται.
• Ο πυκνωτής 100 μF (C12) για τη μονάδα SIM800L δεν είναι απαραίτητος. Προστέθηκε ως προληπτικό (απελπιστικό) μέτρο σε περίπτωση αναμενόμενων προβλημάτων σταθερότητας

Προτεινόμενα βήματα συναρμολόγησης

1. Συναρμολογήστε όλα τα εξαρτήματα τροφοδοσίας στο κάτω αριστερό τμήμα του PCB. Ο ακροδέκτης Ενεργοποίηση (πείρος 5) του TPS562208 πρέπει να είναι σε λογικά υψηλά επίπεδα για δοκιμή, διαφορετικά η μονάδα βρίσκεται σε λειτουργία τερματισμού λειτουργίας και θα έχετε έξοδο 0V. Για να τραβήξετε τον πείρο Ενεργοποίηση ψηλά για δοκιμή, ένα προσωρινό καλώδιο από το μαξιλάρι 9 του ATMega (το οποίο στο PCB είναι συνδεδεμένο στο PIN 5 του ρυθμιστή τάσης) μπορεί να συνδεθεί σε ένα σημείο VCC. το πλησιέστερο σημείο θα είναι το κάτω pin του R3, το οποίο βρίσκεται στη γραμμή VCC.
2. Δοκιμή εξόδου από το TPS562208 μεταξύ των κάτω ακίδων είτε C2, C3 είτε C4 και GND. Θα πρέπει να έχετε περίπου 4.1V.
3. Δοκιμή εξόδου από MCP1700, μεταξύ επάνω δεξιάς ακίδας U6 και GND. Θα πρέπει να έχετε 3,3V.
4. Συγκολλητής ATMega328P; παρατηρήστε τον δείκτη pin 1 στην επάνω αριστερή γωνία. Απαιτείται κάποια πρακτική, αλλά όχι πολύ δύσκολη.
5. Εγκαταστήστε το bootloader στο ATMega328 - σεμινάρια για αυτό αλλού. Δεν χρειάζεται απαραίτητα να χρησιμοποιήσετε κεφαλίδες pin για σύνδεση με MOSI, MISO, SCK και RST. Για λίγα δευτερόλεπτα που χρειάζονται για να κάψει το bootloader, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε καλώδια Dupont και να χρησιμοποιήσετε μια μικρή γωνία για να επιτύχετε μια καλή επαφή.
6. Συνδέστε 5x θηλυκή κεφαλίδα καρφιτσών για το DS3231.
7. Συγκολλητής SIM800L μέσω αντρικών κεφαλίδων καρφιτσών
8. Συγκολλητής BME280
9. Ανεβάστε κώδικα στο Arduino IDE χρησιμοποιώντας προσαρμογέα USB2TTL (επιλέξτε Arduino Uno/Genuino ως στόχο).

Βήμα 3: Κωδικός Arduino

Δείτε τον πηγαίο κώδικα Arduino στο συνημμένο αρχείο.

Βήμα 4: Δοκιμή πραγματικού κόσμου

Διάτρησα δύο μικρές τρύπες στη δεξιά πλευρά της θήκης ακριβώς βαθιά στην μπροστινή πλευρά. Τα κάλυψα από μέσα με μπαλώματα Goretex για να επιτρέψω την ανταλλαγή αέρα αλλά να αποκλείσω το νερό. Πρόσθεσα κάποια επιπλέον προστασία από τη βροχή με μικρές πλαστικές στέγες. Στη συνέχεια, τοποθετώ ολόκληρο το συγκρότημα στη θήκη με τα εξαρτήματα στραμμένα προς τα εμπρός και την μπαταρία προς το καπάκι. Προσθέτω λίγο γράσο πυριτίου στη θήκη για πρόσθετη προστασία από την είσοδο νερού.

Αυτή τη στιγμή η μονάδα είναι "εγκατεστημένη" δίπλα σε ένα μικρό ποτάμι. Εδώ είναι η ζωντανή ροή δεδομένων.