Πώς να φτιάξετε έναν σταθμό αισθητήρα παρακολούθησης άνεσης: 10 βήματα (με εικόνες)

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

Αυτό το διδακτικό περιγράφει το σχεδιασμό και την κατασκευή ενός επονομαζόμενου Comfort Monitoring Station CoMoS, μιας συνδυασμένης συσκευής αισθητήρων για συνθήκες περιβάλλοντος, που αναπτύχθηκε στο τμήμα Built Environment στο TUK, Technische Universität Kaiserslautern, Γερμανία.

Το CoMoS χρησιμοποιεί έναν ελεγκτή ESP32 και αισθητήρες για τη θερμοκρασία του αέρα και τη σχετική υγρασία (Si7021), την ταχύτητα του αέρα (αισθητήρας ανέμου αναθ. C από τη σύγχρονη συσκευή) και τη θερμοκρασία του πλανήτη (DS18B20 σε μαύρο λαμπτήρα), όλα σε ένα συμπαγές, εύκολο στη χρήση θήκη κατασκευής με οπτική ανάδραση μέσω ένδειξης LED (WS2812B). Επιπλέον, περιλαμβάνεται ένας αισθητήρας φωτισμού (BH1750) για την ανάλυση της τοπικής οπτικής κατάστασης. Όλα τα δεδομένα αισθητήρων διαβάζονται περιοδικά και αποστέλλονται μέσω Wi-Fi σε διακομιστή βάσης δεδομένων, από όπου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παρακολούθηση και ελέγχους.

Το κίνητρο πίσω από αυτήν την εξέλιξη είναι να αποκτήσετε μια χαμηλού κόστους αλλά πολύ ισχυρή εναλλακτική λύση σε εργαστηριακές συσκευές αισθητήρων, οι οποίες είναι συνήθως σε τιμή άνω των 3000 €. Αντίθετα, το CoMoS χρησιμοποιεί υλικό συνολικής τιμής περίπου 50 € και ως εκ τούτου μπορεί να αναπτυχθεί εκτενώς σε κτίρια (γραφείων) για τον προσδιορισμό σε πραγματικό χρόνο της ατομικής θερμικής και οπτικής κατάστασης σε κάθε χώρο εργασίας ή τμήμα κτιρίου.

Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την έρευνά μας και τη σχετική εργασία στο τμήμα, επισκεφθείτε τον επίσημο ιστότοπο του έξυπνου χώρου γραφείου Living Lab ή επικοινωνήστε απευθείας με τον αντίστοιχο συγγραφέα μέσω του LinkedIn. Όλες οι επαφές των συγγραφέων παρατίθενται στο τέλος αυτού του οδηγού.

Δομική σημείωση: Αυτό το εκπαιδευτικό περιγράφει την αρχική ρύθμιση του CoMoS, αλλά παρέχει επίσης πληροφορίες και οδηγίες για μερικές παραλλαγές που αναπτύξαμε πρόσφατα: Εκτός από την αρχική θήκη που κατασκευάστηκε από τυποποιημένα μέρη, υπάρχει επίσης μια επιλογή τρισδιάστατης εκτύπωσης. Και εκτός από την αρχική συσκευή με σύνδεση διακομιστή βάσης δεδομένων, υπάρχει μια εναλλακτική αυτόνομη έκδοση με αποθήκευση κάρτας SD, ενσωματωμένο σημείο πρόσβασης WIFi και μια φανταστική εφαρμογή για κινητά για να απεικονίσετε τις ενδείξεις των αισθητήρων. Ελέγξτε τις επιλογές που σημειώνονται στα αντίστοιχα κεφάλαια και την αυτόνομη επιλογή στο τελευταίο κεφάλαιο.

Προσωπική σημείωση: Αυτή είναι η πρώτη διδακτική οδηγός του συγγραφέα και καλύπτει μια αρκετά λεπτομερή και πολύπλοκη ρύθμιση. Μην διστάσετε να επικοινωνήσετε μέσω της ενότητας σχολίων αυτής της σελίδας, μέσω ηλεκτρονικού ταχυδρομείου ή μέσω LinkedIn, εάν λείπουν λεπτομέρειες ή πληροφορίες κατά τη διάρκεια των βημάτων.

Βήμα 1: Ιστορικό - Θερμική και οπτική άνεση

Η θερμική και οπτική άνεση έχουν γίνει όλο και πιο σημαντικά θέματα, ειδικά σε περιβάλλον γραφείων και χώρων εργασίας, αλλά και στον οικιστικό τομέα. Η κύρια πρόκληση σε αυτόν τον τομέα είναι ότι η θερμική αντίληψη των ατόμων ποικίλλει συχνά σε ένα ευρύ φάσμα. Ένα άτομο μπορεί να αισθάνεται ζεστό σε μια συγκεκριμένη θερμική κατάσταση, ενώ ένα άλλο άτομο αισθάνεται κρύο. Αυτό συμβαίνει επειδή η ατομική θερμική αντίληψη επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένων των φυσικών παραγόντων της θερμοκρασίας του αέρα, της σχετικής υγρασίας, της ταχύτητας του αέρα και της θερμοκρασίας ακτινοβολίας των γύρω επιφανειών. Αλλά επίσης, η ένδυση, η μεταβολική δραστηριότητα και η ατομική όψη της ηλικίας, του φύλου, της μάζας του σώματος και άλλων, επηρεάζουν τη θερμική αντίληψη.

Ενώ οι επιμέρους παράγοντες παραμένουν αβεβαιότητα όσον αφορά τα χειριστήρια θέρμανσης και ψύξης, οι φυσικοί παράγοντες μπορούν να προσδιοριστούν με ακρίβεια από συσκευές αισθητήρων. Η θερμοκρασία του αέρα, η σχετική υγρασία, η ταχύτητα του αέρα και η θερμοκρασία του πλανήτη μπορούν να μετρηθούν και να χρησιμοποιηθούν ως άμεση είσοδος στα χειριστήρια του κτιρίου. Επιπλέον, σε μια πιο λεπτομερή προσέγγιση, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως είσοδος για τον υπολογισμό του λεγόμενου δείκτη PMV, όπου το PMV σημαίνει Προβλεπόμενο μέσο ψήφο. Περιγράφει πώς οι άνθρωποι κατά μέσο όρο θα ήταν πιθανό να βαθμολογήσουν τη θερμική τους αίσθηση υπό δεδομένες συνθήκες περιβάλλοντος περιβάλλοντος. Ο PMV μπορεί να λάβει τιμές από -3 (κρύο) έως +3 (ζεστό), με το 0 να είναι ουδέτερη κατάσταση.

Γιατί αναφέρουμε αυτό το πράγμα PMV εδώ; Λοιπόν, επειδή στον τομέα της προσωπικής άνεσης είναι ένας ευρέως χρησιμοποιούμενος δείκτης που μπορεί να χρησιμεύσει ως ποιοτικό κριτήριο για τη θερμική κατάσταση σε ένα κτίριο. Και με το CoMoS, μπορούν να μετρηθούν όλες οι παράμετροι περιβάλλοντος που απαιτούνται για τον υπολογισμό του PMV.

Αν σας ενδιαφέρει, μάθετε περισσότερα για τη θερμική άνεση, το περιβάλλον της σφαίρας και τη μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας, τον δείκτη PMV και το πρότυπο ASHRAE που εφαρμόζεται στη διεύθυνση

Wikipedia: Θερμική άνεση

ISO 7726 Εργονομία του θερμικού περιβάλλοντος

ASHRAE NPO

Παρεμπιπτόντως: Υπάρχουν από καιρό υπάρχοντα, αλλά και πολλά νέα gadget στον τομέα του εξατομικευμένου περιβάλλοντος για να παρέχουν ατομική θερμική και οπτική άνεση. Οι μικροί ανεμιστήρες επιφάνειας εργασίας είναι ένα γνωστό παράδειγμα. Επίσης, αναπτύσσονται ή έχουν ήδη διατεθεί στην αγορά υποπόδιο, θερμαινόμενες και αεριζόμενες καρέκλες ή χωρίσματα γραφείου για θέρμανση και ψύξη με ακτινοβολία IR. Όλες αυτές οι τεχνολογίες επηρεάζουν την τοπική θερμική κατάσταση, σε ένα χώρο εργασίας για παράδειγμα, και μπορούν να ελεγχθούν αυτόματα με βάση τα δεδομένα τοπικών αισθητήρων, όπως φαίνεται στις εικόνες αυτού του βήματος.

Περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τα gadgets του εξατομικευμένου περιβάλλοντος και τη συνεχιζόμενη έρευνα είναι διαθέσιμες στη διεύθυνση

Έξυπνος χώρος γραφείου Living Lab: Εξατομικευμένο περιβάλλον

Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Μπέρκλεϋ

Αναφορά ZEN για προσωπική θέρμανση και ψύξη συσκευών [PDF]

SBRC University of Wollongong

Βήμα 2: Σύστημα συστήματος

Ένας από τους κύριους στόχους στη διαδικασία ανάπτυξης ήταν η δημιουργία μιας ασύρματης, συμπαγούς και φθηνής συσκευής αισθητήρων για τη μέτρηση των εσωτερικών περιβαλλοντικών συνθηκών τουλάχιστον δέκα μεμονωμένων χώρων εργασίας σε έναν δεδομένο ανοιχτό χώρο γραφείου. Ως εκ τούτου, ο σταθμός χρησιμοποιεί ένα ESP32-WROOM-32 με ενσωματωμένη σύνδεση WiFi και με μεγάλη ποικιλία ακίδων σύνδεσης και υποστηριζόμενους τύπους διαύλου για όλα τα είδη αισθητήρων. Οι σταθμοί αισθητήρων χρησιμοποιούν ξεχωριστό IoT-WiFi και στέλνουν τις αναγνώσεις δεδομένων τους σε μια βάση δεδομένων MariaDB μέσω ενός σεναρίου PHP που εκτελείται στο διακομιστή βάσης δεδομένων. Προαιρετικά, μπορεί να εγκατασταθεί επίσης μια εύχρηστη οπτική έξοδος Grafana.

Το παραπάνω σχήμα δείχνει τη διάταξη όλων των περιφερειακών εξαρτημάτων ως επισκόπηση της ρύθμισης του συστήματος, αλλά αυτό το εκπαιδευτικό εστιάζει στον ίδιο τον σταθμό αισθητήρων. Φυσικά, το αρχείο PHP και η περιγραφή της σύνδεσης SQL θα συμπεριληφθούν αργότερα, επίσης, για να παρέχουν όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για τη δημιουργία, τη σύνδεση και τη χρήση του CoMoS.

Σημείωση: στο τέλος αυτού του οδηγού μπορείτε να βρείτε οδηγίες σχετικά με τον τρόπο δημιουργίας μιας εναλλακτικής αυτόνομης έκδοσης του CoMoS με αποθήκευση κάρτας SD, εσωτερικό σημείο πρόσβασης WiFi και μια εφαρμογή ιστού για φορητές συσκευές.

Βήμα 3: Λίστα προμηθειών

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΙΔΗ

Αισθητήρες και ελεγκτής, όπως φαίνεται στην εικόνα:

• Μικροελεγκτής ESP32-WROOM-32 (espressif.com) [A]
• Si7021 ή GY21 αισθητήρας θερμοκρασίας και υγρασίας (adafruit.com) [B]
• DS18B20+ αισθητήρας θερμοκρασίας (adafruit.com) [C]
• Rev C. αισθητήρας ταχύτητας αέρα (moderndevice.com) [D]
• WS2812B 5050 LED κατάστασης (adafruit.com) [E]
• Αισθητήρας φωτισμού BH1750 (amazon.de) [F]

Περισσότερα ηλεκτρικά μέρη:

• 4, 7k αντίσταση έλξης (adafruit.com)
• Τυποποιημένο σύρμα 0, 14 mm² (ή παρόμοιο) (adafruit.com)
• 2x συμπαγείς συνδετήρες συγκόλλησης Wago (wago.com)
• Καλώδιο Micro USB (sparkfun.com)

Μέρη θήκης (Βρείτε πιο λεπτομερείς πληροφορίες για αυτά τα μέρη και μεγέθη στο επόμενο βήμα. Εάν διαθέτετε έναν εκτυπωτή 3D, χρειάζεστε μόνο μια μπάλα πινγκ-πονγκ. Παραλείψτε το επόμενο βήμα και βρείτε όλες τις πληροφορίες και τα αρχεία για εκτύπωση στο Βήμα 5.)

• Ακρυλική πλάκα στρογγυλή 50x4 mm [1]
• Χαλύβδινη πλάκα στρογγυλή 40x10 mm [2]
• Ακρυλικός σωλήνας 50x5x140 mm [3]
• Ακρυλική πλάκα στρογγυλή 40x5 mm [4]
• Ακρυλικός σωλήνας 12x2x50 mm [5]
• Μπάλα πινγκ -πονγκ [6]

Διάφορα

• Λευκό σπρέι βαφής
• Μαύρο ματ σπρέι βαφής
• Λίγη ταινία
• Λίγο μονωτικό μαλλί, βαμβάκι ή οτιδήποτε παρόμοιο

Εργαλεία

• Ηλεκτρικό τρυπάνι
• Τρυπάνι κλοπής 8 mm
• Τρυπάνι ξύλου/πλαστικού 6 mm
• Τρυπάνι ξύλου/πλαστικού 12 mm
• Λεπτό πριόνι χειρός
• Γυαλόχαρτο
• Πένσα κοπής σύρματος
• Απογυμνωτής καλωδίων
• Συγκολλητικό σίδερο και κασσίτερος
• Πιστόλι κόλλας ή θερμής κόλλας

Λογισμικό και βιβλιοθήκες.

• Arduino IDE (1.8.5)
• ESP32 Βασική βιβλιοθήκη
• Βιβλιοθήκη BH1750FVI
• Βιβλιοθήκη Adafruit_Si7021 (1.0.1)
• Βιβλιοθήκη Adafruit_NeoPixel (1.1.6)
• Βιβλιοθήκη θερμοκρασίας Dallas (3.7.9)
• Βιβλιοθήκη OneWire (2.3.3)

Βήμα 4: Σχεδιασμός και κατασκευή υποθέσεων - Επιλογή 1

Ο σχεδιασμός του CoMoS διαθέτει μια λεπτή, κάθετη θήκη με τους περισσότερους αισθητήρες τοποθετημένους στην επάνω περιοχή, με μόνο τον αισθητήρα θερμοκρασίας και υγρασίας τοποθετημένο κοντά στο κάτω μέρος. Οι θέσεις και οι διατάξεις των αισθητήρων ακολουθούν συγκεκριμένες απαιτήσεις των μετρημένων μεταβλητών:

• Ο αισθητήρας θερμοκρασίας και υγρασίας Si7021 είναι τοποθετημένος έξω από τη θήκη, κοντά στον πυθμένα του, για να επιτρέπει την ελεύθερη κυκλοφορία του αέρα γύρω από τον αισθητήρα και να ελαχιστοποιεί την επίδραση της θερμότητας που παράγεται από τον μικροελεγκτή μέσα στη θήκη.
• Ο αισθητήρας φωτισμού BH1750 είναι τοποθετημένος στην επίπεδη κορυφή της θήκης, για να μετρήσει τον φωτισμό σε μια οριζόντια επιφάνεια, όπως απαιτείται από τα κοινά πρότυπα για τον φωτισμό του χώρου εργασίας.
• Ο αισθητήρας ανέμου Rev. C είναι επίσης τοποθετημένος στο επάνω μέρος της θήκης, με τα ηλεκτρονικά του κρυμμένα μέσα στη θήκη, αλλά τα δόντια του, που φέρουν το πραγματικό θερμικό ανεμόμετρο και τον αισθητήρα θερμοκρασίας, εκτίθενται στον αέρα γύρω από την κορυφή.
• Ο αισθητήρας θερμοκρασίας DS18B20 είναι τοποθετημένος στην κορυφή του σταθμού, μέσα σε μια μαύρη βαμμένη μπάλα πινγκ -πονγκ. Η θέση στο επάνω μέρος είναι απαραίτητη για να ελαχιστοποιηθούν οι παράγοντες προβολής και συνεπώς η ακτινοβολική επίδραση του ίδιου του σταθμού αισθητήρων στη μέτρηση της θερμοκρασίας του πλανήτη.

Πρόσθετοι πόροι σχετικά με τη μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας και τη χρήση μαύρων μπάλες πινγκ πονγκ ως αισθητήρες θερμοκρασίας σφαιρών είναι:

Wang, Shang & Li, Yuguo. (2015). Καταλληλότητα ακρυλικών και χάλκινων θερμομέτρων σφαιρών για ημερήσιες εξωτερικές ρυθμίσεις. Κτίριο και Περιβάλλον. 89. 10.1016/j.buildenv.2015.03.002.

de Dear, Richard. (1987). Θερμόμετρα σφαιρών πινγκ-πονγκ για μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας. H & Eng.,. 60. 10-12.

Η θήκη έχει σχεδιαστεί απλά, ώστε να διατηρείται ο χρόνος και η προσπάθεια κατασκευής όσο το δυνατόν χαμηλότερα. Μπορεί εύκολα να κατασκευαστεί από τυποποιημένα μέρη και εξαρτήματα με λίγα απλά εργαλεία και δεξιότητες. Or, για όσους είναι αρκετά τυχεροί να έχουν έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή στην υπηρεσία τους, όλα τα μέρη της θήκης μπορούν επίσης να εκτυπωθούν 3D. Για την εκτύπωση της θήκης, μπορείτε να παραλείψετε το υπόλοιπο αυτού του Βήματος και να βρείτε όλα τα απαιτούμενα αρχεία και οδηγίες στο επόμενο Βήμα.

Για την κατασκευή από τυποποιημένα μέρη, επιλέγονται διαστάσεις προσαρμογής για τα περισσότερα από αυτά:

• Το κύριο σώμα είναι ένας ακρυλικός σωλήνας (PMMA) εξωτερικής διαμέτρου 50 mm, πάχους τοιχώματος 5 mm και ύψους 140 mm.
• Η κάτω πλάκα, η οποία χρησιμεύει ως αγωγός φωτός για το LED κατάστασης, είναι μια ακρυλική στρογγυλή πλάκα διαμέτρου 50 mm και πάχους 4 mm.
• Ένας χαλύβδινος στρογγυλός με διάμετρο 40 mm και πάχος 10 mm εγκαθίσταται ως βάρος πάνω από την κάτω πλάκα και ταιριάζει στο κάτω άκρο του κύριου σωλήνα σώματος για να αποτρέψει την ανατροπή του σταθμού και να συγκρατήσει την κάτω πλάκα στη θέση.
• Η επάνω πλάκα ταιριάζει επίσης μέσα στον κύριο σωλήνα σώματος. Είναι κατασκευασμένο από PMMA και έχει διάμετρο 40 mm και πάχος 5 mm.
• Τέλος, ο άνω σωλήνας ανύψωσης είναι επίσης PMMA, με εξωτερική διάμετρο 10 mm, πάχος τοιχώματος 2 mm και μήκος 50 mm.

Η διαδικασία κατασκευής και συναρμολόγησης είναι απλή, ξεκινώντας με μερικές τρύπες. Ο στρογγυλός χάλυβα χρειάζεται μια συνεχή τρύπα 8 mm, για να ταιριάζει με το LED και τα καλώδια. Ο κύριος σωλήνας του αμαξώματος χρειάζεται περίπου τρύπες 6 mm, ως τροφοδοσία καλωδίων για τα καλώδια USB και αισθητήρα και ως οπές εξαερισμού. Ο αριθμός και οι θέσεις των οπών μπορούν να ποικίλουν ανάλογα με τις προτιμήσεις σας. Η επιλογή των προγραμματιστών είναι έξι τρύπες στο πίσω μέρος, κοντά στο πάνω και στο κάτω μέρος, και δύο στην μπροστινή πλευρά, μία κορυφή, ένα κάτω πάλι, ως αναφορά.

Η επάνω πλάκα είναι το πιο δύσκολο κομμάτι. Χρειάζεται κεντραρισμένο, ίσιο και συνεχές σύνολο 12 mm για να ταιριάζει στον επάνω σωλήνα ανύψωσης, μια άλλη οπή 6 mm εκτός κέντρου για να ταιριάζει στο καλώδιο του αισθητήρα φωτισμού και μια λεπτή σχισμή περίπου 1, 5 mm πλάτους και 18 mm μήκος για να ταιριάζει στον άνεμο αισθητήρα. Δείτε τις εικόνες για αναφορά. Και τέλος, η μπάλα του πινγκ πονγκ χρειάζεται επίσης ένα σύνολο 6 mm, για να χωρέσει τον αισθητήρα θερμοκρασίας και το καλώδιο της σφαίρας.

Στο επόμενο βήμα, όλα τα εξαρτήματα PMMA, εκτός από την κάτω πλάκα, πρέπει να είναι βαμμένα με σπρέι, η αναφορά είναι λευκή. Η μπάλα του πινγκ πονγκ πρέπει να είναι βαμμένη σε μαύρο ματ χρώμα για να καθορίσει τις εκτιμώμενες θερμικές και οπτικές ιδιότητες της.

Ο στρογγυλός χάλυβας είναι κολλημένος στο κέντρο και επίπεδος στην κάτω πλάκα. Ο άνω σωλήνας ανύψωσης είναι κολλημένος στην οπή 12 mm της επάνω πλάκας. Η μπάλα του πινγκ πονγκ είναι κολλημένη στο πάνω άκρο του ανυψωτήρα, με την οπή του να ταιριάζει με το εσωτερικό άνοιγμα του σωλήνα ανύψωσης, έτσι ώστε ο αισθητήρας θερμοκρασίας και το καλώδιο να μπορούν να εισαχθούν στη μπάλα στη συνέχεια μέσω του σωλήνα ανύψωσης.

Με αυτό το βήμα, όλα τα μέρη της θήκης είναι έτοιμα για συναρμολόγηση, τοποθετώντας τα μαζί. Εάν μερικά ταιριάζουν πολύ σφιχτά, τρίψτε τα λίγο, αν είναι πολύ χαλαρά, προσθέστε ένα λεπτό στρώμα ταινίας.

Βήμα 5: Σχεδιασμός και κατασκευή υποθέσεων - Επιλογή 2

Ενώ η επιλογή 1 για την κατασκευή της θήκης CoMoS είναι ακόμα γρήγορη και απλή, το να αφήσετε έναν εκτυπωτή 3D να κάνει τη δουλειά μπορεί να είναι ακόμη πιο εύκολος. Επίσης για αυτήν την επιλογή, η θήκη χωρίζεται σε τρία μέρη, επάνω, σώμα κιβωτίου και κάτω μέρος, για να επιτρέπεται η εύκολη καλωδίωση και συναρμολόγηση όπως περιγράφεται στο επόμενο βήμα.

Τα αρχεία και περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τις ρυθμίσεις του εκτυπωτή παρέχονται στο Thingiverse:

Αρχεία CoMoS στο Thingiverse

Συνιστάται ιδιαίτερα να ακολουθείτε τις οδηγίες χρήσης λευκού νήματος για το επάνω μέρος και τα μέρη του σώματος της θήκης. Αυτό αποτρέπει τη θέρμανση της θήκης πολύ γρήγορα στο φως του ήλιου και αποφεύγει τις ψευδείς μετρήσεις. Για το κάτω μέρος πρέπει να χρησιμοποιείται διαφανές νήμα για να επιτρέπεται ο φωτισμός της ενδεικτικής λυχνίας LED.

Μια άλλη παραλλαγή από την επιλογή 1 είναι ότι λείπει ο μεταλλικός γύρος. Για να αποφευχθεί η ανατροπή του CoMoS, κάθε είδους βάρος όπως μπάλες ρουλεμάν ή ένα σωρό μεταλλικές ροδέλες πρέπει να τοποθετούνται στο/στο διαφανές κάτω μέρος. Έχει σχεδιαστεί με μια άκρη γύρω για να ταιριάζει και να συγκρατεί κάποιο βάρος. Εναλλακτικά, το CoMoS μπορεί να κολληθεί στον τόπο εγκατάστασής του χρησιμοποιώντας ταινία διπλής όψης.

Σημείωση: Ο φάκελος Thingiverse περιλαμβάνει αρχεία για θήκη ανάγνωσης καρτών micro SD τα οποία μπορούν να τοποθετηθούν στην θήκη CoMoS. Αυτή η θήκη είναι προαιρετική και αποτελεί μέρος της αυτόνομης έκδοσης που περιγράφεται στο τελευταίο βήμα αυτού του οδηγού.

Βήμα 6: Καλωδίωση και συναρμολόγηση

Το καλώδιο ESP, οι αισθητήρες, το LED και το USB συγκολλούνται και συνδέονται σύμφωνα με το σχηματικό κύκλωμα που φαίνεται στις εικόνες αυτού του βήματος. Η αντιστοίχιση PIN που ταιριάζει με το παράδειγμα κώδικα που περιγράφεται αργότερα είναι:

• 14 - Επαναφορά γέφυρας (EN) - [γκρι]
• 17 - WS2811 (LED) - [πράσινο]
• 18 - αντίσταση έλξης για DS18B20+
• 19 - DS18B20+ (Ένα καλώδιο) - [μοβ]
• 21 - BH1750 & SI7021 (SDA) - [μπλε]
• 22 - BH1750 & SI7021 (SCL) - [κίτρινο]
• 25 - BH1750 (V -in) - [καφέ]
• 26 - SI7021 (V -in) - [καφέ]
• 27 - DS18B20+ (V -in) - [καφέ]
• 34 - Αισθητήρας ανέμου (TMP) - [κυανό]
• 35 - Αισθητήρας ανέμου (RV) - [πορτοκαλί]
• VIN - Καλώδιο USB (+5V) - [κόκκινο]
• GND - Καλώδιο USB (GND) - [μαύρο]

Οι αισθητήρες Si7021, BH1750 και DS18B20+ τροφοδοτούνται μέσω ενός IO-pin του ESP32. Αυτό είναι δυνατό επειδή το μέγιστο ρεύμα ρεύματος είναι κάτω από τη μέγιστη παροχή ρεύματος ESP ανά ακίδα και είναι απαραίτητο για να μπορείτε να επαναφέρετε τους αισθητήρες διακόπτοντας την τροφοδοσία τους σε περίπτωση σφάλματος επικοινωνίας αισθητήρα. Δείτε τον κωδικό ESP και τα σχόλια για περισσότερες πληροφορίες.

Οι αισθητήρες Si7021 και BH1750, όπως και το καλώδιο USB, πρέπει να συγκολληθούν με τα καλώδια που έχουν ήδη περάσει από τις ειδικές οπές θήκης για να επιτρέψουν τη συναρμολόγηση στο επόμενο βήμα. Οι συμπαγείς σύνδεσμοι σύνδεσης WAGO χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση συσκευών στην τροφοδοσία μέσω καλωδίου USB. Όλα τροφοδοτούνται σε 5 V DC από USB, το οποίο λειτουργεί με το λογικό επίπεδο του ESP32 στα 3, 3 V. Προαιρετικά, οι ακίδες δεδομένων του καλωδίου micro USB μπορούν να επανασυνδεθούν στο βύσμα micro USB και να συνδεθούν με τη micro USB του ESP πρίζα, ως είσοδος ισχύος και σύνδεση δεδομένων για μεταφορά κώδικα στο ESP32 ενώ η θήκη είναι κλειστή. Διαφορετικά, εάν είναι συνδεδεμένο όπως φαίνεται στο σχήμα, απαιτείται ένα άλλο άθικτο καλώδιο micro USB για την αρχική μεταφορά κώδικα στο ESP πριν από τη συναρμολόγηση της θήκης.

Ο αισθητήρας θερμοκρασίας Si7021 είναι κολλημένος στην πίσω πλευρά της θήκης, κοντά στο κάτω μέρος. Είναι πολύ σημαντικό να τοποθετήσετε αυτόν τον αισθητήρα κοντά στο κάτω μέρος, για να αποφύγετε τις ψευδείς ενδείξεις θερμοκρασίας που προκαλούνται από τη θερμότητα που εξελίχθηκε μέσα στη θήκη. Ανατρέξτε στο βήμα επιλόγου για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με αυτό το ζήτημα. Ο αισθητήρας φωτισμού BH1750 είναι κολλημένος στην επάνω πλάκα και ο αισθητήρας αέρα εισάγεται και προσαρμόζεται στην σχισμή στην απέναντι πλευρά. Εάν ταιριάζει πολύ χάστε, λίγη ταινία γύρω από το κεντρικό τμήμα του αισθητήρα βοηθά να τον κρατήσετε στη θέση του. Ο αισθητήρας θερμοκρασίας DS18B20 εισάγεται μέσω του ανυψωτικού πάνω στην μπάλα του πινγκ πονγκ, με τελική θέση στο κέντρο της μπάλας. Το εσωτερικό του ανυψωτήρα είναι γεμάτο με μαλλί απομόνωσης και το κάτω άνοιγμα σφραγίζεται με ταινία ή θερμή κόλλα, για να αποτραπεί η αγώγιμη ή μεταφορά θερμότητας στον πλανήτη. Το LED είναι προσαρτημένο στη στρογγυλή τρύπα από χάλυβα προς τα κάτω για να φωτίσει την κάτω πλάκα.

Όλα τα καλώδια, οι σύνδεσμοι σύνδεσης και το ESP32 μπαίνουν μέσα στην κύρια θήκη και όλα τα μέρη της θήκης τοποθετούνται μαζί στην τελική συναρμολόγηση.

Βήμα 7: Λογισμικό - ESP, PHP και MariaDB Configuration

Ο μικροελεγκτής ESP32 μπορεί να προγραμματιστεί χρησιμοποιώντας το Arduino IDE και τη βιβλιοθήκη ESP32 Core που παρέχονται από το Espressif. Υπάρχουν πολλά σεμινάρια διαθέσιμα στο διαδίκτυο σχετικά με τον τρόπο ρύθμισης του IDE για συμβατότητα με ESP32, για παράδειγμα εδώ.

Μόλις ρυθμιστεί, ο συνημμένος κώδικας μεταφέρεται στο ESP32. Σχολιάζεται παντού για εύκολη κατανόηση, αλλά μερικά βασικά χαρακτηριστικά είναι:

• Έχει μια ενότητα "διαμόρφωση χρήστη" στην αρχή, στην οποία πρέπει να ρυθμιστούν μεμονωμένες μεταβλητές, όπως αναγνωριστικό WiFi και κωδικός πρόσβασης, IP διακομιστή βάσης δεδομένων και επιθυμητές αναγνώσεις δεδομένων και περίοδος αποστολής. Περιλαμβάνει επίσης μια μεταβλητή "μηδενική ρύθμιση ανέμου" που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση των μετρήσεων μηδενικής ταχύτητας ανέμου στο 0 σε περίπτωση μη σταθερής τροφοδοσίας.
• Ο κωδικός περιλαμβάνει τους μέσους συντελεστές βαθμονόμησης που καθορίζονται από τους συγγραφείς από τη βαθμονόμηση δέκα υπαρχόντων σταθμών αισθητήρων. Ανατρέξτε στο βήμα Επιλόγου για περισσότερες πληροφορίες και πιθανή ατομική προσαρμογή.
• Διάφοροι χειρισμοί σφαλμάτων περιλαμβάνονται σε πολλά τμήματα του κώδικα. Ειδικά μια αποτελεσματική ανίχνευση και χειρισμός σφαλμάτων επικοινωνίας διαύλου που συμβαίνουν συχνά στους ελεγκτές ESP32. Και πάλι, ανατρέξτε στο βήμα επιλόγου για περισσότερες πληροφορίες.
• Διαθέτει έξοδο χρώματος LED για να δείχνει την τρέχουσα κατάσταση του σταθμού αισθητήρων και τυχόν σφάλματα. Δείτε το βήμα αποτελεσμάτων για περισσότερες πληροφορίες.

Το συνημμένο αρχείο PHP πρέπει να εγκατασταθεί και να είναι προσβάσιμο στον βασικό φάκελο του διακομιστή βάσης δεδομένων, στη διεύθυνση serverIP/sensor.php. Το όνομα αρχείου PHP και το περιεχόμενο του χειρισμού δεδομένων πρέπει να ταιριάζουν με τον κώδικα συνάρτησης κλήσης του ESP και, από την άλλη πλευρά, να ταιριάζουν με τη ρύθμιση του πίνακα βάσης δεδομένων, ώστε να επιτρέπεται η αποθήκευση των μετρήσεων δεδομένων. Τα παραδείγματα κωδικών που επισυνάπτονται ταιριάζουν, αλλά σε περίπτωση που αλλάξετε ορισμένες μεταβλητές, πρέπει να αλλάξουν σε όλο το σύστημα. Το αρχείο PHP περιλαμβάνει ένα τμήμα προσαρμογής στην αρχή, στο οποίο γίνονται μεμονωμένες προσαρμογές ανάλογα με το περιβάλλον του συστήματος, ειδικά το όνομα χρήστη και τον κωδικό πρόσβασης της βάσης δεδομένων και το όνομα της βάσης δεδομένων.

Μια βάση δεδομένων MariaDB ή SQL ρυθμίζεται στον ίδιο διακομιστή, σύμφωνα με τη ρύθμιση πίνακα που χρησιμοποιείται στον κωδικό σταθμού αισθητήρων και το σενάριο PHP. Στο παράδειγμα κώδικα, το όνομα της βάσης δεδομένων MariaDB είναι "sensorstation" με έναν πίνακα με το όνομα "data", ο οποίος περιέχει 13 στήλες για UTCDate, ID, UID, Temp, Hum, Globe, Vel, VelMin, VelMax, MRT, Illum, IllumMin, και IllumMax.

Μια πλατφόρμα ανάλυσης και παρακολούθησης Grafana μπορεί να εγκατασταθεί επιπρόσθετα στον διακομιστή ως επιλογή για άμεση οπτικοποίηση της βάσης δεδομένων. Αυτό δεν είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό αυτής της ανάπτυξης, επομένως δεν περιγράφεται περαιτέρω σε αυτό το διδακτικό.

Βήμα 8: Αποτελέσματα - Ανάγνωση και επαλήθευση δεδομένων

Με όλες τις καλωδιώσεις, τη συναρμολόγηση, τον προγραμματισμό και τη ρύθμιση του περιβάλλοντος, ο σταθμός αισθητήρων στέλνει περιοδικά τις ενδείξεις δεδομένων στη βάση δεδομένων. Ενώ τροφοδοτείται, πολλές καταστάσεις λειτουργίας υποδεικνύονται μέσω του κάτω χρώματος LED:

• Κατά την εκκίνηση, η λυχνία LED ανάβει σε κίτρινο χρώμα για να υποδείξει την εκκρεμή σύνδεση με το WiFi.
• Όταν και ενώ είναι συνδεδεμένη, η ένδειξη είναι μπλε.
• Ο σταθμός αισθητήρων εκτελεί αναγνώσεις αισθητήρων και τον στέλνει περιοδικά στον διακομιστή. Κάθε επιτυχής μεταφορά υποδεικνύεται από μια ώθηση πράσινου φωτός 600 ms.
• Σε περίπτωση σφαλμάτων, ο δείκτης θα έχει χρώμα κόκκινο, μοβ ή κιτρινωπό, ανάλογα με τον τύπο σφάλματος. Μετά από ορισμένο χρόνο ή αριθμό σφαλμάτων, ο σταθμός αισθητήρων επαναφέρει όλους τους αισθητήρες και επανεκκινείται αυτόματα, υποδεικνύοντας πάλι με ένα κίτρινο φως στην εκκίνηση. Δείτε τον κωδικό ESP32 και τα σχόλια για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τα χρώματα της ένδειξης.

Με αυτό το τελευταίο βήμα, ο σταθμός αισθητήρων λειτουργεί και λειτουργεί συνεχώς. Μέχρι σήμερα, ένα δίκτυο 10 σταθμών αισθητήρων είναι εγκατεστημένο και λειτουργεί στον προαναφερθέντα έξυπνο χώρο γραφείου Living Lab.

Βήμα 9: Εναλλακτική: Ανεξάρτητη έκδοση

Η ανάπτυξη του CoMoS συνεχίζεται και το πρώτο αποτέλεσμα αυτής της συνεχούς διαδικασίας είναι μια αυτόνομη έκδοση. Αυτή η έκδοση του CoMoS δεν χρειάζεται διακομιστή βάσης δεδομένων και δίκτυο WiFi για την παρακολούθηση και καταγραφή περιβαλλοντικών δεδομένων.

Τα νέα βασικά χαρακτηριστικά είναι:

• Οι αναγνώσεις δεδομένων αποθηκεύονται σε εσωτερική κάρτα micro SD, σε μορφή CSV φιλική προς το Excel.
• Ενσωματωμένο σημείο πρόσβασης WiFi για πρόσβαση στο CoMoS από οποιαδήποτε κινητή συσκευή.
• Εφαρμογή που βασίζεται στον ιστό (εσωτερικός διακομιστής Ιστού στο ESP32, δεν απαιτείται σύνδεση στο Διαδίκτυο) για ζωντανά δεδομένα, ρυθμίσεις και πρόσβαση στο χώρο αποθήκευσης με άμεση λήψη αρχείων από την κάρτα SD, όπως φαίνεται στην εικόνα και στα στιγμιότυπα οθόνης που επισυνάπτονται σε αυτό το βήμα.

Αυτό αντικαθιστά τη σύνδεση WiFi και τη βάση δεδομένων, ενώ όλες οι άλλες δυνατότητες, συμπεριλαμβανομένης της βαθμονόμησης και του σχεδιασμού και της κατασκευής, παραμένουν ανέγγιχτες από την αρχική έκδοση. Ωστόσο, το αυτόνομο CoMoS απαιτεί εμπειρία και περαιτέρω γνώση του τρόπου πρόσβασης στο εσωτερικό σύστημα διαχείρισης αρχείων "SPIFFS" του ESP32 και λίγη επίγνωση των HTML, CSS και Javascript για να καταλάβετε πώς λειτουργεί η εφαρμογή web. Χρειάζεται επίσης μερικές ακόμη / διαφορετικές βιβλιοθήκες για να λειτουργήσει.

Ελέγξτε τον κώδικα Arduino στο αρχείο zip που επισυνάπτεται για τις απαιτούμενες βιβλιοθήκες και τις ακόλουθες αναφορές για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τον προγραμματισμό και τη μεταφόρτωση στο σύστημα αρχείων SPIFFS:

Βιβλιοθήκη SPIFFS από το espressif

Μεταφορτωτής αρχείων SPIFFS από το me-no-dev

Βιβλιοθήκη ESP32WebServer από την Pedroalbuquerque

Αυτή η νέα έκδοση θα καθιστούσε ένα εντελώς νέο οδηγό που θα μπορούσε να δημοσιευτεί στο μέλλον. Αλλά προς το παρόν, ειδικά για πιο έμπειρους χρήστες, δεν θέλουμε να χάσουμε την ευκαιρία να μοιραστούμε τις βασικές πληροφορίες και αρχεία που χρειάζεστε για να τις ρυθμίσετε.

Γρήγορα βήματα για να δημιουργήσετε ένα αυτόνομο CoMoS:

• Δημιουργήστε μια θήκη σύμφωνα με το προηγούμενο βήμα. Προαιρετικά, εκτυπώστε 3D μια πρόσθετη θήκη για να προσαρτηθεί η συσκευή ανάγνωσης καρτών micro SC στη θήκη CoMoS. Εάν δεν διαθέτετε τρισδιάστατο εκτυπωτή, ο αναγνώστης καρτών μπορεί επίσης να τοποθετηθεί μέσα στην κύρια θήκη του CoMoS, μην ανησυχείτε.
• Συνδέστε όλους τους αισθητήρες όπως περιγράφηκε προηγουμένως, αλλά επιπλέον, εγκαταστήστε και συνδέστε έναν αναγνώστη καρτών micro SD (amazon.com) και ένα ρολόι πραγματικού χρόνου DS3231 (adafruit.com), όπως υποδεικνύεται στο σχήμα καλωδίωσης που επισυνάπτεται σε αυτό το βήμα. Σημείωση: Οι ακίδες για την αντίσταση έλξης και το oneWire διαφέρουν από το αρχικό σχέδιο καλωδίωσης!
• Ελέγξτε τον κώδικα Arduino και προσαρμόστε τις μεταβλητές σημείου πρόσβασης WiFi "ssid_AP" και "password_AP" στις προσωπικές σας προτιμήσεις. Εάν δεν έχει προσαρμοστεί, το τυπικό SSID είναι "CoMoS_AP" και ο κωδικός πρόσβασης είναι "12345678".
• Τοποθετήστε κάρτα micro SD, ανεβάστε τον κωδικό, ανεβάστε το περιεχόμενο του φακέλου "data" στο ESP32 χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα μεταφόρτωσης αρχείων SPIFFS και συνδέστε οποιαδήποτε κινητή συσκευή στο σημείο πρόσβασης WiFi.
• Μεταβείτε στο "192.168.4.1" στο πρόγραμμα περιήγησης για κινητά και απολαύστε!

Η εφαρμογή βασίζεται σε html, css και javascript. Είναι τοπικό, δεν απαιτείται ή απαιτείται σύνδεση στο Διαδίκτυο. Διαθέτει ένα μενού εντός εφαρμογής για πρόσβαση σε μια σελίδα εγκατάστασης και μια σελίδα μνήμης. Στη σελίδα εγκατάστασης, μπορείτε να προσαρμόσετε τις πιο σημαντικές ρυθμίσεις, όπως τοπική ημερομηνία και ώρα, διάστημα ανάγνωσης αισθητήρων, κλπ. Όλες οι ρυθμίσεις θα αποθηκευτούν μόνιμα στον εσωτερικό χώρο αποθήκευσης του ESP32 και θα αποκατασταθούν στην επόμενη εκκίνηση. Στη σελίδα μνήμης, είναι διαθέσιμη μια λίστα αρχείων στην κάρτα SD. Κάνοντας κλικ σε ένα όνομα αρχείου ξεκινά μια άμεση λήψη του αρχείου CSV στην κινητή συσκευή.

Αυτή η ρύθμιση συστήματος επιτρέπει ατομική και απομακρυσμένη παρακολούθηση των εσωτερικών περιβαλλοντικών συνθηκών. Όλες οι ενδείξεις αισθητήρων αποθηκεύονται περιοδικά στην κάρτα SD, ενώ δημιουργούνται νέα αρχεία για κάθε νέα ημέρα. Αυτό επιτρέπει μια συνεχή λειτουργία για εβδομάδες ή μήνες χωρίς πρόσβαση ή συντήρηση. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, αυτό είναι ακόμα μια συνεχής έρευνα και ανάπτυξη. Εάν ενδιαφέρεστε για περισσότερες λεπτομέρειες ή βοήθεια, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε με τον αντίστοιχο συγγραφέα μέσω των σχολίων ή απευθείας μέσω του LinkedIn.

Βήμα 10: Επίλογος - Γνωστά ζητήματα και Outlook

Ο σταθμός αισθητήρων που περιγράφεται σε αυτό το οδηγό είναι το αποτέλεσμα μιας μακράς και συνεχούς έρευνας. Ο στόχος είναι να δημιουργηθεί ένα αξιόπιστο, ακριβές, αλλά χαμηλού κόστους σύστημα αισθητήρων για εσωτερικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Αυτό κράτησε και περιέχει ορισμένες σοβαρές προκλήσεις, από τις οποίες οι πιο σίγουρες θα πρέπει να αναφερθούν εδώ:

Ακρίβεια και βαθμονόμηση αισθητήρα

Όλοι οι αισθητήρες που χρησιμοποιούνται σε αυτό το έργο προσφέρουν σχετικά υψηλή ακρίβεια με χαμηλό ή μέτριο κόστος. Τα περισσότερα είναι εξοπλισμένα με εσωτερική μείωση θορύβου και ψηφιακές διεπαφές διαύλου για επικοινωνία, μειώνοντας την ανάγκη για βαθμονόμηση ή προσαρμογές επιπέδου. Ούτως ή άλλως, επειδή οι αισθητήρες είναι εγκατεστημένοι σε ή σε θήκη με ορισμένα χαρακτηριστικά, πραγματοποιήθηκε βαθμονόμηση του πλήρους σταθμού αισθητήρων από τους συγγραφείς, όπως φαίνεται εν συντομία από τις συνημμένες εικόνες. Συνολικά δέκα εξίσου κατασκευασμένοι σταθμοί αισθητήρων δοκιμάστηκαν σε καθορισμένες περιβαλλοντικές συνθήκες και συγκρίθηκαν με μια επαγγελματική συσκευή εσωτερικού αισθητήρα TESTO 480. Από αυτές τις διαδρομές, καθορίστηκαν οι συντελεστές βαθμονόμησης που περιλαμβάνονται στο παράδειγμα του κώδικα. Επιτρέπουν μια απλή αντιστάθμιση της επιρροής της θήκης και των ηλεκτρονικών στους επιμέρους αισθητήρες. Για να επιτευχθεί η υψηλότερη ακρίβεια, συνιστάται μια μεμονωμένη βαθμονόμηση για κάθε σταθμό αισθητήρων. Η βαθμονόμηση αυτού του συστήματος είναι ένας δεύτερος στόχος της έρευνας των συγγραφέων, εκτός από την ανάπτυξη και την κατασκευή που περιγράφεται σε αυτό το διδακτικό. Συζητείται σε μια πρόσθετη, συνδεδεμένη δημοσίευση, η οποία βρίσκεται ακόμη σε αξιολόγηση από ομοτίμους και θα συνδεθεί εδώ μόλις συνδεθεί στο διαδίκτυο. Βρείτε περισσότερες πληροφορίες σχετικά με αυτό το θέμα στον ιστότοπο των συγγραφέων.

Σταθερότητα λειτουργίας ESP32

Όλες οι βιβλιοθήκες αισθητήρων που βασίζονται σε Arduino που χρησιμοποιούνται σε αυτόν τον κώδικα δεν είναι πλήρως συμβατές με την πλακέτα ESP32. Αυτό το ζήτημα έχει συζητηθεί ευρέως σε πολλά σημεία στο διαδίκτυο, ειδικά όσον αφορά τη σταθερότητα της επικοινωνίας I2C και OneWire. Σε αυτήν την εξέλιξη, πραγματοποιείται μια νέα, συνδυασμένη ανίχνευση και χειρισμός σφαλμάτων, βασισμένη στην τροφοδοσία των αισθητήρων απευθείας μέσω των ακίδων IO του ESP32, ώστε να επιτρέπεται η διακοπή της παροχής ρεύματος για επαναφορά. Από τη σημερινή προοπτική, αυτή η λύση δεν έχει παρουσιαστεί ή δεν συζητείται ευρέως. Γεννήθηκε από ανάγκη, αλλά μέχρι σήμερα λειτουργεί ομαλά για περιόδους λειτουργίας αρκετών μηνών και μετά. Ωστόσο, εξακολουθεί να είναι θέμα έρευνας.

Αποψη

Μαζί με αυτό το διδακτικό, περαιτέρω γραπτές δημοσιεύσεις και παρουσιάσεις συνεδρίων πραγματοποιούνται από τους συγγραφείς για να διαδώσουν την ανάπτυξη και να επιτρέψουν μια ευρεία και ανοιχτού κώδικα εφαρμογή. Εν τω μεταξύ, η έρευνα συνεχίζεται για τη περαιτέρω βελτίωση του σταθμού αισθητήρων, ειδικά όσον αφορά το σχεδιασμό και την κατασκευή του συστήματος, καθώς και τη βαθμονόμηση και την επαλήθευση του συστήματος. Αυτό το εκπαιδευτικό μπορεί να ενημερώνεται για σημαντικές μελλοντικές εξελίξεις, αλλά για όλες τις ενημερωμένες πληροφορίες, επισκεφθείτε τον ιστότοπο των συγγραφέων ή επικοινωνήστε απευθείας με τους συγγραφείς μέσω του LinkedIn:

αντίστοιχος συγγραφέας: Ματίας Κίμλινγκ

δεύτερος συγγραφέας: Konrad Lauenroth

ερευνητής μέντορας: Καθ. Sabine Hoffmann

Δεύτερο βραβείο σε συγγραφέα για πρώτη φορά