Νέο επίπεδο ασύρματου αισθητήρα IOT για σύστημα παρακολούθησης περιβάλλοντος στο σπίτι: 5 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:35

Αυτό το Instructable περιγράφει ένα χαμηλότερο κόστος, με μπαταρία, ασύρματο επίπεδο αισθητήρα IOT για το προηγούμενο Instructable: LoRa IOT Home Environmental Monitoring System. Εάν δεν έχετε ήδη δει αυτό το προηγούμενο Instructable, συνιστώ να διαβάσετε την εισαγωγή για μια επισκόπηση των δυνατοτήτων του συστήματος που επεκτείνονται τώρα σε αυτό το νέο επίπεδο αισθητήρα.

Το πρωτότυπο LoRa IOT Home Environmental Monitoring System πέτυχε τους στόχους που είχα θέσει όταν δημοσιεύτηκε τον Απρίλιο του 2017. Ωστόσο, αφού χρησιμοποίησα το σύστημα παρακολούθησης για αρκετούς μήνες για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας και της υγρασίας σε κάθε όροφο του σπιτιού, ήθελα να προσθέστε 11 ακόμη αισθητήρες σε ιδιαίτερα ευάλωτες τοποθεσίες στο σπίτι. συμπεριλαμβανομένων έξι αισθητήρων στρατηγικά τοποθετημένων στο υπόγειο, αισθητήρες σε κάθε μπάνιο και αισθητήρα στη σοφίτα, πλυντήριο και κουζίνα.

Αντί να προσθέσω περισσότερους αισθητήρες βασισμένους σε LoRa από το προηγούμενο Instructable, οι οποίοι είναι κάπως ακριβοί και τροφοδοτούνται μέσω προσαρμογέων εναλλασσόμενου ρεύματος, αποφάσισα να προσθέσω ένα στρώμα χαμηλότερου κόστους, αισθητήρες με μπαταρία χρησιμοποιώντας πομπούς RF Link 434-MHz. Για να διατηρήσω τη συμβατότητα με το υπάρχον σύστημα παρακολούθησης περιβάλλοντος LoRa IOT Home, πρόσθεσα μια ασύρματη γέφυρα για να λάβω τα πακέτα 434-MHz και να τα μεταδώσω ξανά ως πακέτα LoRa στα 915-MHz.

Το νέο επίπεδο αισθητήρα αποτελείται από τα ακόλουθα υποσυστήματα:

1. Ασύρματα τηλεχειριστήρια 434 -MHz - αισθητήρες θερμοκρασίας και υγρασίας που λειτουργούν με μπαταρία
2. Wireless Bridge - Λαμβάνει πακέτα 434 -MHz και τα εκπέμπει ξανά ως πακέτα LoRa.

Τα ασύρματα τηλεχειριστήρια 434-MHz χρησιμοποιούν χαμηλότερη ισχύ εκπομπής και λιγότερο ισχυρά πρωτόκολλα σε σύγκριση με τα ραδιόφωνα LoRa, οπότε η θέση Wireless Bridge στο σπίτι επιλέγεται για να εξασφαλίσει αξιόπιστη επικοινωνία με όλα τα ασύρματα τηλεχειριστήρια 434-MHz. Η χρήση της ασύρματης γέφυρας επιτρέπει τη βελτιστοποίηση της επικοινωνίας με τα ασύρματα τηλεχειριστήρια 434-MHz χωρίς να θέτει περιορισμούς στο σημείο όπου βρίσκεται η πύλη LoRa IOT.

Τα ασύρματα τηλεχειριστήρια 434-MHz και το Wireless Bridge κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας άμεσα διαθέσιμες μονάδες υλικού και μερικά μεμονωμένα εξαρτήματα. Τα εξαρτήματα μπορούν να ληφθούν από το Adafruit, το Sparkfun και το Digikey. Σε πολλές περιπτώσεις, τα ανταλλακτικά Adafruit και Sparkfun είναι επίσης διαθέσιμα από την Digikey. Απαιτούνται κατάλληλες δεξιότητες συγκόλλησης για τη συναρμολόγηση του υλικού, ιδίως της καλωδίωσης σημείου προς σημείο των ασύρματων τηλεχειριστηρίων 434-MHz. Ο κώδικας Arduino σχολιάζεται καλά για κατανόηση και για εύκολη επέκταση της λειτουργικότητας.

Οι στόχοι αυτού του έργου περιλάμβαναν τα ακόλουθα:

• Βρείτε ασύρματη τεχνολογία χαμηλότερου κόστους κατάλληλη για οικιακά περιβάλλοντα.
• Αναπτύξτε έναν ασύρματο αισθητήρα με μπαταρία, ο οποίος μπορεί να λειτουργεί για πολλά χρόνια με ένα σύνολο μπαταριών.
• Δεν απαιτείται τροποποίηση του υλικού ή του λογισμικού LoRa IOT Gateway από το προηγούμενο Instructable.

Το συνολικό κόστος για τα ασύρματα τηλεχειριστήρια 434-MHz, εξαιρουμένων των μπαταριών 3xAA, είναι $ 25, εκ των οποίων ο αισθητήρας θερμοκρασίας και υγρασίας SHT31-D αντιπροσωπεύει περισσότερα από τα μισά ($ 14).

Όπως και με τα τηλεχειριστήρια LoRa από το προηγούμενο Instructable, τα ασύρματα τηλεχειριστήρια 434-MHz λαμβάνουν μετρήσεις θερμοκρασίας και υγρασίας και αναφέρονται στην πύλη LoRa IOT, μέσω της Wireless Bridge, κάθε 10 λεπτά. Τα έντεκα ασύρματα τηλεχειριστήρια 434-MHz τέθηκαν σε λειτουργία τον Δεκέμβριο του 2017 χρησιμοποιώντας 3 x μπαταρίες ΑΑ ονομαστικά παρέχοντας 4,5V. Οι ενδείξεις της μπαταρίας από τους έντεκα αισθητήρες τον Δεκέμβριο του 2017 κυμάνθηκαν από 4,57V έως 4,71V, δεκαέξι μήνες αργότερα τον Μάιο του 2019 οι ενδείξεις μπαταρίας κυμαίνονται από 4,36V έως 4,55V. Η χρήση εξαρτημάτων με μεγάλο εύρος τάσης λειτουργίας θα πρέπει να διασφαλίζει τη λειτουργία των αισθητήρων για άλλο ένα έτος ή περισσότερο, με την επιφύλαξη της διατήρησης της αξιοπιστίας των συνδέσεων RF καθώς η ισχύς εκπομπής μειώνεται με χαμηλότερες τάσεις μπαταρίας.

Η αξιοπιστία του στρώματος αισθητήρα 434-MHz ήταν εξαιρετική στο οικιακό μου περιβάλλον. Το νέο επίπεδο αισθητήρα αναπτύσσεται σε 4, 200 SqFt τελειωμένου χώρου και 1, 800 SqFt ατελείωτου χώρου υπογείου. Οι αισθητήρες χωρίζονται από την Ασύρματη Γέφυρα με συνδυασμό 2 - 3 εσωτερικών τοίχων και δαπέδου/οροφής. Το LoRa IOT Gateway από το προηγούμενο Instructable στέλνει ένα SMS Alert εάν η επικοινωνία χαθεί με έναν αισθητήρα για περισσότερα από 60 λεπτά (6 αναφορές δέκα λεπτών χαμένες). Ένας αισθητήρας, στο πάτωμα σε μια γωνία στο άκρο του υπογείου πίσω από στοιβαγμένα κιβώτια, θα προκαλεί απώλεια ειδοποίησης επαφής κάθε τόσο, ωστόσο, σε όλες τις περιπτώσεις η επικοινωνία με τον αισθητήρα αποκαθίσταται χωρίς καμία παρέμβαση.

Σας ευχαριστούμε που επισκεφθήκατε αυτό το διδακτικό και δείτε τα παρακάτω βήματα για περισσότερες πληροφορίες.

1. Σχεδιασμός ασύρματου αισθητήρα με μπαταρία
2. Ασύρματο απομακρυσμένο υλικό 434-MHz
3. Ασύρματο απομακρυσμένο λογισμικό 434-MHz
4. Υλικό Wireless Bridge
5. Λογισμικό Wireless Bridge

Βήμα 1: Σχεδιασμός ασύρματου αισθητήρα με μπαταρία

Ο σχεδιασμός για το ασύρματο τηλεχειριστήριο 434-MHz χρησιμοποιεί τα ακόλουθα μέρη:

• Μικροελεγκτής AVR 8-bit ATtiny85
• Sensirion SHT31 -D - Θερμοκρασία & Υγρασία Sensor Breakout Board
• Πομπός Sparkfun 434-MHz RF Link
• Αντίσταση 10K Ohm

Μία από τις πρώτες αποφάσεις σχεδιασμού ήταν η αποφυγή συσκευών που απαιτούν ρυθμιζόμενο 3,3V ή 5V και η επιλογή εξαρτημάτων που λειτουργούν σε ένα ευρύ φάσμα τάσης. Αυτό εξαλείφει την ανάγκη για ρυθμιστές τάσης που είναι σπατάλες ισχύος σε σχεδιασμό με μπαταρία και παρατείνει τη διάρκεια ζωής των αισθητήρων καθώς θα συνεχίσουν να λειτουργούν περισσότερο καθώς η τάση της μπαταρίας μειώνεται με την πάροδο του χρόνου. Τα εύρη τάσης λειτουργίας για τα επιλεγμένα μέρη είναι τα εξής:

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

Επιτρέποντας κάποιο περιθώριο, τα ασύρματα τηλεχειριστήρια 434-MHz θα πρέπει να λειτουργούν λειτουργικά σε τάση μπαταρίας 3V. Όπως ήδη σημειώθηκε, μένει να δούμε πόσο καλά διατηρείται η αξιοπιστία της σύνδεσης RF καθώς η ισχύς μετάδοσης μειώνεται με χαμηλότερες τάσεις μπαταρίας.

Αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθούν μπαταρίες 3 x AA για παροχή ονομαστικής τάσης εκκίνησης 4,5V. Μετά από 16 μήνες λειτουργίας, η χαμηλότερη τάση μπαταρίας που μετρήθηκε είναι 4,36V.

Το ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) χρησιμοποιείται για να διατηρεί το ασύρματο τηλεχειριστήριο 434-MHz σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας για τις περισσότερες φορές. Το ATtiny85 ξυπνάει από το WDT κάθε 8 δευτερόλεπτα για να αυξήσει έναν μετρητή 10 λεπτών. με την επίτευξη ενός διαστήματος 10 λεπτών, λαμβάνεται μια μέτρηση και ένα πακέτο δεδομένων μεταδίδεται.

Για να ελαχιστοποιήσετε περαιτέρω την κατανάλωση ενέργειας, ο πομπός SHT31-D και RF Link τροφοδοτείται από έναν ψηφιακό ακροδέκτη εισόδου/εξόδου στο ATtiny85 που έχει διαμορφωθεί ως έξοδος. Η ισχύς εφαρμόζεται όταν ο πείρος εισόδου/εξόδου οδηγείται σε υψηλό (1) και αφαιρείται όταν ο πείρος εισόδου/εξόδου οδηγείται χαμηλά (0). Μέσω του λογισμικού, η ισχύς εφαρμόζεται μόνο σε αυτά τα περιφερειακά κάθε 10 λεπτά για 1 - 2 δευτερόλεπτα ενώ λαμβάνονται και μεταδίδονται μετρήσεις. Ανατρέξτε στο Ασύρματο απομακρυσμένο λογισμικό 434-MHz για περιγραφή του σχετικού λογισμικού.

Το μόνο άλλο στοιχείο που χρησιμοποιείται στο ασύρματο τηλεχειριστήριο 434-MHz είναι μια αντίσταση 10K ohm που χρησιμοποιείται για να ανεβάσει τον πείρο επαναφοράς στο ATtiny85.

Ένας πρώιμος σχεδιασμός χρησιμοποίησε ένα διαχωριστικό αντίστασης στην μπαταρία για να επιτρέψει μια καρφίτσα ADC στο ATTINY85 για τη μέτρηση της τάσης της μπαταρίας. Αν και μικρός, αυτός ο διαχωριστής τάσης επέφερε σταθερό φορτίο στην μπαταρία. Ορισμένες έρευνες κατέληξαν σε ένα τέχνασμα που χρησιμοποιεί την τάση αναφοράς εσωτερικού διαστήματος 1,1V ATtiny85 για τη μέτρηση του Vcc (τάση μπαταρίας). Ρυθμίζοντας την τάση αναφοράς ADC σε Vcc και λαμβάνοντας μια μέτρηση της εσωτερικής τάσης αναφοράς 1,1V, είναι δυνατό να επιλυθεί για Vcc. Η εσωτερική τάση αναφοράς ATtiny85 1.1V είναι σταθερή όσο Vcc> 3V. Ανατρέξτε στο Ασύρματο απομακρυσμένο λογισμικό 434-MHz για περιγραφή του σχετικού λογισμικού.

Η επικοινωνία μεταξύ του ATtiny85 και του SHT31-D γίνεται μέσω διαύλου I2C. Ο πίνακας διάσπασης Adafruit SHT31-D περιλαμβάνει αντιστάσεις έλξης για το δίαυλο I2C.

Η επικοινωνία μεταξύ του ATtiny85 και του πομπού RF Link γίνεται μέσω ψηφιακής ακίδας εισόδου/εξόδου που έχει ρυθμιστεί ως έξοδος. Η βιβλιοθήκη RadioHead Packet Radio RH_ASK χρησιμοποιείται για το κλειδί ενεργοποίησης-απενεργοποίησης (OOK / ASK) του πομπού συνδέσμων RF μέσω αυτού του ψηφιακού πείρου εισόδου / εξόδου.

Βήμα 2: Ασύρματο απομακρυσμένο υλικό 434-MHz

Λίστα μερών:

1 x Adafruit 1/4 Sized Breadboard, Digikey PN 1528-1101-ND

1 x Θήκη μπαταρίας 3 x Κελιά AA, Digikey PN BC3AAW-ND

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

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

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

1 x 8-pin DIP Socket, Digikey PN AE10011-ND

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

6,75 / 17 εκατοστά Μήκος 18AWG Εμαγιέ χάλκινο σύρμα

1 x Ταινία αφρού διπλής όψης

18 / 45cm Wire Wrapping Wire

Μια πρίζα χρησιμοποιείται για το ATtiny85 καθώς ο προγραμματισμός σε κύκλωμα δεν υποστηρίζεται.

Ο πίνακας διάσπασης SHT31-D, ο πομπός RF Link, η υποδοχή DIP 8 ακίδων και το καλώδιο κεραίας είναι κολλημένα στο breadboard, όπως φαίνεται στην παραπάνω φωτογραφία. Αφαιρέστε το σμάλτο από το 1/4 του σύρματος κεραίας 18AWG πριν κολλήσετε στο ψωμί.

Η αντίσταση 10K ohm συγκολλάται στο breadboard μεταξύ των ακίδων 1 και 8 της υποδοχής DIP των 8 ακίδων.

Το σύρμα περιτύλιξης σύρματος συγκολλάται στο πίσω μέρος του ψωμιού για να κάνει τους συνδέσμους μεταξύ των εξαρτημάτων σύμφωνα με το σχηματικό διάγραμμα Ασύρματης απομακρυσμένης που φαίνεται στο προηγούμενο βήμα.

Τα θετικά και αρνητικά καλώδια από τη θήκη της μπαταρίας συγκολλούνται σε ένα σετ λεωφορείων "+" και "-", αντίστοιχα, στο breadboard.

Το ασύρματο τηλεχειριστήριο 434-MHz δοκιμάζεται με το Wireless Bridge και το LoRa IOT Gateway. Το ασύρματο τηλεχειριστήριο 434-MHz θα στέλνει αμέσως ένα πακέτο κάθε φορά που τοποθετούνται οι μπαταρίες και στη συνέχεια κάθε 10 λεπτά. Μόλις λάβετε ένα ασύρματο πακέτο από το επίπεδο αισθητήρα 434-MHz, η πράσινη λυχνία LED στο Wireless Bridge αναβοσβήνει για ~ 0,5 δευτερόλεπτα. Το όνομα του σταθμού, η θερμοκρασία και η υγρασία θα πρέπει να εμφανίζονται από την LoRa IOT Gateway εάν ο αριθμός σταθμού ασύρματου τηλεχειριστηρίου 434-MHz παρέχεται στην πύλη.

Μόλις το ασύρματο τηλεχειριστήριο δοκιμαστεί εντάξει με ένα προγραμματισμένο ATtiny85, ένα κομμάτι της ταινίας αφρού διπλής όψης, κομμένο στο ίδιο μέγεθος με το breadboard, χρησιμοποιείται για να στερεώσει το ολοκληρωμένο breadboard στη βάση μπαταρίας.

Βήμα 3: Ασύρματο απομακρυσμένο λογισμικό 434-MHz

Το λογισμικό ασύρματου τηλεχειριστηρίου 434-MHz επισυνάπτεται σε αυτό το βήμα και σχολιάζεται καλά.

Προγραμματίζω τους μικροελεγκτές ATtiny85 χρησιμοποιώντας έναν προγραμματιστή Sparkfun Tiny AVR και το Arduino IDE. Το Sparkfun έχει ένα εκτενές σεμινάριο για τον τρόπο ρύθμισης προγραμμάτων οδήγησης κλπ. Και πώς να κάνει τον προγραμματιστή να συνεργαστεί με το Arduino IDE.

Πρόσθεσα μια υποδοχή ZIF (Zero Insertion Force) στο Tiny AVR Programmer για να διευκολύνω την προσθήκη και την αφαίρεση μαρκών από τον προγραμματιστή.

Βήμα 4: Υλικό ασύρματης γέφυρας

Λίστα μερών:

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 δέκτης Sparkfun RF Link (434-MHz), Digikey PN 1568-1173-ND

1 x 8-pin DIP Socket, Digikey PN AE10011-ND

6,75 / 17 εκατοστά Μήκος 18AWG Εμαγιέ χάλκινο σύρμα

3,25 / 8,5 εκατοστά Μήκος 18AWG Εμαγιέ χάλκινο σύρμα

Σύρμα περιτύλιξης καλωδίου 24 / 61cm

1 x καλώδιο USB A / MicroB, 3 πόδια, Adafruit PID 592

Τροφοδοτικό 1 x 5V 1A USB, Adafruit PID 501

Συγκεντρώστε την ασπίδα πρωτοτύπων σύμφωνα με τις οδηγίες στο Adafruit.com.

Συναρμολογήστε την πλακέτα πομποδέκτη RFM95W LoRa σύμφωνα με τις οδηγίες στο Adafruit.com. Το μήκος του καλωδίου 18AWG 3,25 " / 8,5 cm χρησιμοποιείται για την κεραία και συγκολλάται απευθείας στην πλακέτα πομποδεκτών αφού αφαιρέσετε το σμάλτο 1/4" από το σύρμα.

Κόψτε προσεκτικά την πρίζα 8 ακίδων DIP στο μισό μήκος για να δημιουργήσετε δύο σετ SIP υποδοχών 4 ακίδων.

Συγκολλήστε τις δύο υποδοχές SIP 4 ακίδων στην ασπίδα πρωτοτύπων όπως φαίνεται. Αυτά θα χρησιμοποιηθούν για να συνδέσετε τον δέκτη RF Link, οπότε βεβαιωθείτε ότι βρίσκονται στις σωστές οπές για να ταιριάζουν με τον πομπό RF Link πριν από τη συγκόλληση.

Συγκολλήστε την πλακέτα πομποδέκτη RFM9W LoRa στην ασπίδα πρωτοτύπων όπως φαίνεται.

Οι ακόλουθες συνδέσεις πραγματοποιούνται μεταξύ του Arduino Uno και της πλακέτας πομποδέκτη RFM9W χρησιμοποιώντας σύρμα περιτύλιξης σύρματος στην επάνω πλευρά του πίνακα πρωτοτύπων:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, η βιβλιοθήκη RadioHead χρησιμοποιεί τη διακοπή 0 σε αυτήν την καρφίτσα

Κεφαλίδα RFM9W SCK Arduino ICSP, καρφίτσα 3

Κεφαλίδα RFM9W MISO Arduino ICSP, ακίδα 1

Κεφαλίδα RFM9W MOSI Arduino ICSP, καρφίτσα 4

RFM9W CS Arduino Digital I/O Pin 8

RFM9W RST Arduino Digital I/O Pin 9

Οι ακόλουθες συνδέσεις γίνονται στην κάτω πλευρά του πίνακα πρωτοτύπων:

RFM9W VIN Λεωφορείο πίνακα πρωτοτύπων 5V

RFM9W GND Λεωφορείο εδάφους πρωτοτύπου (GND)

RF Link Rx Pin 1 (GND) Λεωφορείο γείωσης σανίδας πρωτοτύπου (GND)

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

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Πρωτότυπος πίνακας 5V bus

Proto Board Green LED Arduino Digital I/O Pin 7

Οι πληροφορίες καρφιτσών για τον δέκτη συνδέσμου RF είναι διαθέσιμες στη διεύθυνση www.sparkfun.com.

Απογυμνώστε το σμάλτο από το 1/4 'του καλωδίου μήκους 6,75 ιντσών 18AWG και τοποθετήστε το στην τρύπα του πίνακα πρωτοτύπων δίπλα στην RF Link Rx Pin 8 (Κεραία). Μόλις εισαχθεί στην τρύπα, λυγίστε το απογυμνωμένο άκρο, ώστε να επικοινωνήστε με το RF Link Rx Pin 8 και κολλήστε το στη θέση του.

Προγραμματίστε το Arduino Uno με το σκίτσο που παρέχεται στο επόμενο βήμα. Με την επαναφορά ή την ενεργοποίηση, η πράσινη λυχνία LED αναβοσβήνει δύο φορές για 0,5 δευτερόλεπτα. Με τη λήψη ασύρματου πακέτου από το επίπεδο αισθητήρα 434-MHz, η πράσινη λυχνία LED αναβοσβήνει για ~ 0,5 δευτερόλεπτα.

Βήμα 5: Λογισμικό Wireless Bridge

Το λογισμικό Wireless Bridge επισυνάπτεται σε αυτό το βήμα και είναι καλά σχολιασμένο.