Нов безжичен сензорен слой IOT за домашна система за мониторинг на околната среда: 5 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Тази инструкция описва по-евтин, захранван от батерии безжичен IOT сензорен слой за моята по-ранна инструкция: LoRa IOT домашна система за мониторинг на околната среда. Ако още не сте гледали този по -ранен Instructable, препоръчвам да прочетете въведението за преглед на възможностите на системата, които сега са разширени до този нов сензорен слой.

Оригиналната домашна система за мониторинг на околната среда LoRa IOT постигна целите, които бях поставил, когато беше публикувана през април 2017 г. Въпреки това, след като използвах системата за наблюдение в продължение на няколко месеца за наблюдение на температурата и влажността на всеки етаж на къщата, исках да добавете още 11 сензора на особено уязвими места в къщата; включително, шест сензора, стратегически разположени в мазето, сензори във всяка баня и сензор на тавана, пералнята и кухнята.

Вместо да добавя повече сензори, базирани на LoRa от по-ранните Instructable, които са малко скъпи и се захранват чрез променливотокови адаптери, реших да добавя слой от по-евтини сензори, работещи с батерии, използвайки 434-MHz RF Link предаватели. За да поддържам съвместимост със съществуващата система за мониторинг на околната среда LoRa IOT Home, добавих безжичен мост за приемане на 434-MHz пакети и повторното им предаване като LoRa пакети на 915-MHz.

Новият сензорен слой се състои от следните подсистеми:

1. 434 -MHz безжични дистанционни управления - сензори за температура и влажност на батерията
2. Безжичен мост - Получава 434 -MHz пакети и ги предава отново като LoRa пакети.

434-MHz безжичните дистанционни управления използват по-ниска мощност на предаване и по-малко надеждни протоколи в сравнение с радиостанциите LoRa, така че местоположението на Wireless Bridge в къщата е избрано да осигури надеждна комуникация с всички 434-MHz безжични дистанционни управления. Използването на Wireless Bridge позволява оптимизиране на комуникацията с 434-MHz безжични дистанционни управления, без да се ограничават местата, където се намира LoRa IOT Gateway.

434-MHz безжични дистанционни управления и безжичен мост са изградени с помощта на лесно достъпни хардуерни модули и няколко отделни компонента. Частите могат да бъдат получени от Adafruit, Sparkfun и Digikey; в много случаи частите Adafruit и Sparkfun се предлагат и от Digikey. Компетентни умения за запояване са необходими за сглобяването на хардуера, по-специално кабелното свързване от точка до точка на безжичните дистанционни управления 434 MHz. Кодът на Arduino е добре коментиран за разбиране и позволява лесно разширяване на функционалността.

Целите на този проект включват следното:

• Намерете по -евтина безжична технология, подходяща за домакинска среда.
• Разработете безжичен сензор, захранван от батерии, способен да работи в продължение на няколко години с един комплект батерии.
• Не изискват никакви промени в хардуера или софтуера на LoRa IOT Gateway от по -ранния ми Instructable.

Общата цена на частите за 434-MHz безжични дистанционни управления, с изключение на батериите 3xAA, е $ 25, от които сензорът за температура и влажност на SHT31-D представлява повече от половината ($ 14).

Както при дистанционните LoRa от по-ранните ми Instructable, 434-MHz безжичните дистанционни управления отчитат температурата и влажността и докладват на LoRa IOT Gateway, през безжичния мост, на всеки 10 минути. Единадесетте 434-MHz безжични дистанционни управления бяха пуснати в експлоатация през декември 2017 г. с помощта на 3 х AA батерии, номинално осигуряващи 4.5V. Показанията на батерията от единадесетте сензора през декември 2017 г. варираха от 4.57V до 4.71V, шестнадесет месеца по -късно през май 2019 г. показанията на батерията варират от 4.36V до 4.55V. Използването на части с широк диапазон на работно напрежение трябва да осигури работа на сензорите за още една година или повече, при условие че се запази надеждността на радиочестотната връзка, тъй като мощността на предаване се намалява с по -ниско напрежение на батерията.

Надеждността на 434-MHz сензорен слой е отлична в моята домакинска среда. Новият сензорен слой е разположен върху 4, 200 SqFt завършено пространство и 1, 800 SqFt незавършено мазе. Сензорите са отделени от безжичния мост чрез комбинация от 2 - 3 вътрешни стени и под/таван. LoRa IOT Gateway от моя по -ранен Instructable изпраща SMS предупреждение, ако комуникацията със сензор се загуби за повече от 60 минути (6 пропуснати десетминутни доклада). Един сензор, разположен на пода в ъгъла в далечния край на мазето зад купчини, ще предизвика предупреждение за загубен контакт от време на време, но във всички случаи комуникацията със сензора се възстановява без никаква намеса.

Благодарим ви, че посетихте тази инструкция и моля, вижте следните стъпки за допълнителна информация.

1. Безжичен сензор с батерия
2. 434-MHz безжичен отдалечен хардуер
3. 434-MHz безжичен дистанционен софтуер
4. Безжичен хардуер за мост
5. Софтуер за безжичен мост

Стъпка 1: Дизайн на безжичен сензор с батерия

Дизайнът на 434-MHz безжично дистанционно управление използва следните части:

• ATtiny85 8-битов AVR микроконтролер
• Sensirion SHT31 -D - Табло за сензори за температура и влажност
• Sparkfun 434-MHz RF Link предавател
• Резистор 10K Ohm

Едно от първите решения за проектиране беше да се избягват устройства, които изискват регулирани 3.3V или 5V, и да се изберат части, които работят в широк диапазон на напрежение. Това елиминира необходимостта от регулатори на напрежение, които са източници на мощност в конструкция, работеща от батерии, и удължава експлоатационния живот на сензорите, тъй като те ще продължат да функционират по -дълго, тъй като напрежението на батерията намалява с времето. Диапазоните на работното напрежение за избраните части са както следва:

• ATtiny85: 2.7V до 5.5V
• SHT31-D: 2.4V до 5.5V
• RF Link Tx: 1.5V до 12V

Като се има предвид известен запас, 434-MHz безжичните дистанционни управления трябва функционално да работят до напрежение на батерията от 3V. Както вече беше отбелязано, остава да се види колко добре се поддържа надеждността на радиочестотната връзка, тъй като мощността на предаване се намалява с по -ниско напрежение на батерията.

Взето е решение да се използват 3 х АА батерии, за да се осигури номинално начално напрежение от 4.5V. След 16 месеца работа най -ниското измерено напрежение на батерията е 4.36V.

ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) се използва за поддържане на 434-MHz безжично дистанционно управление в режим на заспиване през по-голямата част от времето. ATtiny85 се събужда от WDT на всеки 8 секунди, за да увеличи 10 -минутен брояч; при достигане на 10 -минутен интервал се прави измерване и се предава пакет от данни.

За допълнително минимизиране на консумацията на енергия, SHT31-D и RF Link Transmitter се захранват от цифров вход/изход на порт на ATtiny85, конфигуриран като изход. Захранването се прилага, когато входно -изходният щифт е задвижван високо (1), и се изключва, когато входно -изходният щифт е затворен ниско (0). Чрез софтуер захранването се подава само към тези периферни устройства на всеки 10 минути за 1-2 секунди, докато се извършват и предават измервания. Вижте 434-MHz безжичен дистанционен софтуер за описание на свързания софтуер.

Единственият друг компонент, използван в 434-MHz безжичното дистанционно, е 10K ом резистор, използван за изтегляне на щифта за нулиране на ATtiny85.

Един ранен дизайн използва резистивен делител на напрежение в батерията, за да позволи на ADT щифт на ATTINY85 да измерва напрежението на батерията. Макар и малък, този делител на напрежение поставя постоянен товар върху батерията. Някои изследвания откриха трик, който използва вътрешното 1,1V референтно напрежение на ATtiny85 за измерване на Vcc (напрежение на батерията). Чрез задаване на референтното напрежение на ADC на Vcc и измерване на вътрешното референтно напрежение 1.1V е възможно да се реши за Vcc. Вътрешното референтно напрежение 1.1V на ATtiny85 е постоянно, докато Vcc> 3V. Вижте 434-MHz безжичен дистанционен софтуер за описание на свързания софтуер.

Комуникацията между ATtiny85 и SHT31-D се осъществява чрез I2C шина. Пробивната платка Adafruit SHT31-D включва издърпващи се резистори за I2C шината.

Комуникацията между ATtiny85 и RF Link Transmitter се осъществява чрез цифров I/O пин, конфигуриран като изход. Пакетната радио библиотека RadioHead RH_ASK се използва за ключ за включване / изключване (OOK / ASK) на радиопредавателя за RF връзка чрез този цифров входно-изходен щифт.

Стъпка 2: 434-MHz безжичен отдалечен хардуер

Списък с части:

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

1 x държач за батерия 3 x AA клетки, Digikey PN BC3AAW-ND

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

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

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

1 x 8-пинов DIP гнездо, Digikey PN AE10011-ND

1 x 10K ом, 1/8W резистор, Digikey PN CF18JT10K0CT-ND

6.75 / 17см Дължина на емайлирана медна тел 18AWG

1 x Двустранна лента от пяна

18 / 45 см тел за опаковане на тел

За ATtiny85 се използва гнездо, тъй като програмирането във веригата не се поддържа.

Пробивната платка SHT31-D, RF Link предавател, 8-пинов DIP гнездо и антенен проводник са запоени върху макетната платка, както е показано на снимката по-горе. Отстранете емайла от 1/4 от антенния проводник 18AWG преди запояване към платката.

Резисторът от 10K ома е запоен върху основната платка между щифтове 1 и 8 на 8-пиновия DIP гнездо.

Опаковъчната тел е запоена от задната страна на макета, за да направи връзките между компонентите в съответствие със схематичната диаграма на безжичното дистанционно управление, показана в предишната стъпка.

Положителните и отрицателните проводници от държача на батерията са запоени към един комплект от шини "+" и "-" съответно на макета.

434-MHz безжично дистанционно е тествано с Wireless Bridge и LoRa IOT Gateway. Безжичното дистанционно 434-MHz ще изпраща незабавно пакет при всяко поставяне на батериите и на всеки ~ 10 минути след това. При получаване на безжичен пакет от 434-MHz сензорен слой, зеленият светодиод на Wireless Bridge мига за ~ 0.5s. Името на станцията, температурата и влажността трябва да се показват от LoRa IOT Gateway, ако номерът на безжичната дистанционна станция 434-MHz е предвиден в шлюза.

След като безжичното дистанционно се тества добре с програмиран ATtiny85, парче от двустранната лента от пяна, нарязана на същия размер като макетната платка, се използва за закрепване на готовата дъска към държача на батерията.

Стъпка 3: 434-MHz безжичен софтуер за дистанционно управление

Софтуерът за безжично дистанционно управление 434-MHz е приложен към тази стъпка и е добре коментиран.

Програмирах микроконтролерите ATtiny85 с помощта на Sparkfun Tiny AVR Programmer и Arduino IDE. Sparkfun има обширен урок за това как да настроите драйвери и т.н. и как да накарате програмиста да работи с Arduino IDE.

Добавих гнездо ZIF (Zero Insertion Force) към Tiny AVR Programmer, за да улесня добавянето и премахването на чипове от програмиста.

Стъпка 4: Безжичен хардуер за мост

Списък с части:

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 радио приемо-предавателна платка (915-MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

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

1 x 8-пинов DIP гнездо, Digikey PN AE10011-ND

6.75 / 17см Дължина на емайлирана медна тел 18AWG

3.25 / 8.5cm Дължина на емайлирана медна тел 18AWG

24 / 61см обвиваща тел

1 x USB кабел A / MicroB, 3 фута, Adafruit PID 592

1 x 5V 1A USB порт захранване, Adafruit PID 501

Сглобете щита за прототипиране съгласно инструкциите на Adafruit.com.

Сглобете RFM95W LoRa приемо -предавателната платка съгласно инструкциите на Adafruit.com. Дължината на проводника 18AWG с дължина 3,25 инча / 8,5 см се използва за антената и се запоява директно към платката на трансивъра след отстраняване на 1/4 емайл от проводника.

Внимателно изрежете 8-пиновия DIP гнездо наполовина, за да създадете два комплекта 4-пинови SIP гнезда.

Запояйте двата 4-пинови SIP гнезда към прототипиращия щит, както е показано. Те ще бъдат използвани за включване на RF Link приемника, така че се уверете, че са в правилните дупки, за да съвпадат с RF Link Transmitter преди запояване.

Запоявайте приемо -предавателната платка RFM9W LoRa към прототипиращия щит, както е показано.

Следните връзки са направени между Arduino Uno и приемо -предавателната платка RFM9W с помощта на тел за опаковане на тел от горната страна на прототипната платка:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, библиотеката на RadioHead използва Interrupt 0 на този щифт

RFM9W SCK Arduino ICSP заглавка, щифт 3

RFM9W MISO Arduino ICSP заглавка, щифт 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP заглавка, щифт 4

RFM9W CS Arduino Digital I/O Pin 8

RFM9W RST Arduino цифров I/O пин 9

Следните връзки са направени от долната страна на прототипната платка:

RFM9W VIN Прототипна платка 5V шина

RFM9W GND Прототипна дъска (GND)

RF Link Rx Pin 1 (GND) Прототипираща платка заземяване (GND)

RF Link Rx Pin 2 (Изход за данни) Arduino Digital I/O Pin 6

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Прототипна платка 5V шина

Proto Board Green LED Arduino Digital I/O Pin 7

Информацията за изводите за приемника на RF връзка е достъпна на www.sparkfun.com.

Отлепете емайла от 1/4 'от 6,75 дължина на проводника 18AWG и го поставете в отвора за прототипиране на платката, непосредствено в непосредствена близост до RF Link Rx Pin 8 (Антена). След като бъде поставен в отвора, огънете оголения край така, че да стане свържете се с RF Link Rx Pin 8 и го запоявайте на място.

Програмирайте Arduino Uno със скицата, предоставена в следващата стъпка. При нулиране или включване, зеленият светодиод ще мига два пъти за 0,5 секунди. При получаване на безжичен пакет от 434-MHz сензорен слой, зеленият светодиод мига за ~ 0.5s.

Стъпка 5: Софтуер за безжичен мост

Софтуерът Wireless Bridge е приложен към тази стъпка и е добре коментиран.