Új vezeték nélküli IOT érzékelő réteg az otthoni környezetfigyelő rendszerhez: 5 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

Ez az útmutató egy alacsonyabb költségű, elemmel működő vezeték nélküli IOT érzékelő réteget ír le a korábbi Instructable: LoRa IOT otthoni környezetfigyelő rendszerhez. Ha még nem tekintette meg ezt az előző Instructable -t, javaslom, hogy olvassa el a bevezetőt, ahol áttekintheti a rendszer azon képességeit, amelyek most az új érzékelő rétegre is kiterjednek.

Az eredeti LoRa IOT otthoni környezetfigyelő rendszer elérte azokat a célkitűzéseket, amelyeket a 2017. áprilisi közzétételkor kitűztem. Azonban miután a megfigyelőrendszert néhány hónapig használtam a hőmérséklet és a páratartalom monitorozására a ház minden emeletén, adjon hozzá további 11 érzékelőt a ház különösen sérülékeny pontjain; köztük hat érzékelő, amelyek stratégiailag az alagsorban vannak elhelyezve, minden fürdőszobában és egy érzékelő a padláson, a mosodában és a konyhában.

Ahelyett, hogy további LoRa alapú érzékelőket adnék hozzá a korábbi Instructable-ből, amelyek némileg drágák és váltakozó áramú adaptereken keresztül táplálkoznak, úgy döntöttem, hogy hozzáadok egy alacsonyabb költségű, akkumulátorral működő érzékelőt, 434 MHz-es RF Link-távadókat használva. A meglévő LoRa IOT otthoni környezetfigyelő rendszerrel való kompatibilitás fenntartása érdekében hozzáadtam egy vezeték nélküli hidat a 434 MHz-es csomagok fogadásához és LoRa csomagokként történő továbbításához 915 MHz-en.

Az új érzékelőréteg a következő alrendszerekből áll:

1. 434 MHz -es vezeték nélküli távirányítók - elemmel működő hőmérséklet- és páratartalom -érzékelők
2. Vezeték nélküli híd - 434 MHz -es csomagokat fogad és LoRa csomagokként továbbítja őket.

A 434 MHz-es vezeték nélküli távirányítók alacsonyabb adóteljesítményt és kevésbé robusztus protokollokat használnak a LoRa rádiókhoz képest, így a vezeték nélküli híd helyét úgy választották meg, hogy megbízható kommunikációt biztosítson az összes 434 MHz-es vezeték nélküli távirányítóval. A Wireless Bridge használata lehetővé teszi a 434 MHz-es vezeték nélküli távvezérlőkkel való kommunikáció optimalizálását anélkül, hogy korlátozná a LoRa IOT átjáró helyét.

A 434 MHz-es vezeték nélküli távirányítók és a Wireless Bridge könnyen hozzáférhető hardvermodulok és néhány egyedi alkatrész felhasználásával készültek. Az alkatrészeket az Adafruit, a Sparkfun és a Digikey szerezheti be; sok esetben Adafruit és Sparkfun alkatrészek is kaphatók a Digikeytől. A hardver összeszereléséhez hozzáértő forrasztási ismeretekre van szükség, különösen a 434 MHz-es vezeték nélküli távirányítók pont-pont huzalozására. Az Arduino kód jól megjegyzett a megértés és a funkcionalitás egyszerű bővítése érdekében.

A projekt céljai a következők voltak:

• Keressen olcsóbb vezeték nélküli technológiát, amely megfelel a háztartási környezetnek.
• Fejlesszen ki egy akkumulátorral működő vezeték nélküli érzékelőt, amely évekig képes működni egy elemkészlettel.
• Nem igényel módosítást a LoRa IOT Gateway hardverén vagy szoftverén a korábbi Instructable -ből.

A 434 MHz-es vezeték nélküli távirányítók teljes alkatrészköltsége a 3xAA elemek nélkül 25 dollár, amelynek több mint felét az SHT31-D hőmérséklet- és páratartalom-érzékelő teszi ki (14 dollár).

A korábbi Instructable LoRa távirányítóihoz hasonlóan a 434 MHz-es vezeték nélküli távirányítók hőmérséklet- és páratartalom-leolvasást végeznek, és 10 percenként jelentést tesznek a LoRa IOT-átjárónak a Wireless Bridge-en keresztül. A tizenegy 434 MHz-es vezeték nélküli távirányítót 2017 decemberében helyezték üzembe 3 x AA elemmel, névlegesen 4,5 V feszültséggel. A tizenegy érzékelő akkumulátorának leolvasása 2017 decemberében 4,57 V és 4,71 V között változott, tizenhat hónappal később, 2019 májusában az akkumulátor leolvasása 4,36 V és 4,55 V között volt. A széles üzemi feszültségtartományú alkatrészek használatának biztosítania kell az érzékelők működését még egy évig vagy tovább, figyelemmel az RF kapcsolat megbízhatóságának megőrzésére, mivel az átviteli teljesítmény alacsonyabb akkumulátorfeszültség mellett csökken.

A 434 MHz-es érzékelőréteg megbízhatósága kiváló volt a háztartási környezetemben. Az új érzékelőréteget 4 200 négyzetméter készterületen és 1 800 négyzetméter befejezetlen alagsorban helyezik el. Az érzékelőket 2-3 belső fal és padló/mennyezet kombinációja választja el a vezeték nélküli hídtól. A korábbi Instructable -ből származó LoRa IOT -átjáró SMS -riasztást küld, ha a kommunikáció megszakad egy érzékelővel 60 percnél tovább (6 kihagyott tíz perces jelentés). Az egyik érzékelő a padlón, az alagsor túlsó sarkában lévő sarokban, halmozott dobozok mögött, időnként riasztást okoz a kapcsolatról, azonban minden esetben beavatkozás nélkül helyreáll a kommunikáció az érzékelővel.

Köszönjük, hogy meglátogatta ezt az oktatóanyagot, és további információkért tekintse meg az alábbi lépéseket.

1. Akkumulátoros vezeték nélküli érzékelő kialakítás
2. 434 MHz-es vezeték nélküli távoli hardver
3. 434 MHz-es vezeték nélküli távoli szoftver
4. Vezeték nélküli híd hardver
5. Wireless Bridge szoftver

1. lépés: Akkumulátoros vezeték nélküli érzékelő kialakítása

A 434 MHz-es vezeték nélküli távirányító kialakítása a következő részeket használja:

• ATtiny85 8 bites AVR mikrokontroller
• Sensirion SHT31 -D - Hőmérséklet- és páratartalom -érzékelő kioldótábla
• Sparkfun 434 MHz-es RF Link adó
• 10K ohmos ellenállás

Az egyik korai tervezési döntés az volt, hogy kerüljék a szabályozott 3,3 V vagy 5 V feszültséget igénylő eszközöket, és válasszanak olyan alkatrészeket, amelyek széles feszültségtartományban működnek. Ez kiküszöböli a feszültségszabályozók szükségességét, amelyek akkumulátorral működő energiatakarékosak, és meghosszabbítja az érzékelők élettartamát, mivel tovább fognak működni, mivel az akkumulátor feszültsége idővel csökken. A választott alkatrészek üzemi feszültségtartományai a következők:

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

Némi mozgástér mellett a 434 MHz-es vezeték nélküli távirányítóknak funkcionálisan 3 V-os akkumulátorfeszültségig kell működniük. Amint azt már megjegyeztük, csak az a kérdés, hogy mennyire sikerül megőrizni az RF kapcsolat megbízhatóságát, mivel az átviteli teljesítmény csökken az akkumulátor alacsonyabb feszültsége mellett.

Úgy döntöttek, hogy 3 x AA elemet használnak 4,5 V névleges indítófeszültség biztosítására. 16 hónapos működés után a legalacsonyabb akkumulátor feszültség 4,36V.

Az ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) arra szolgál, hogy a 434 MHz-es vezeték nélküli távirányítót alvó üzemmódban tartsa az idő nagy részében. Az ATtiny85 készüléket a WDT 8 másodpercenként felébreszti, hogy növelje a 10 perces számlálót; a 10 perces intervallum elérésekor mérést végeznek, és adatcsomagot továbbítanak.

Az energiafogyasztás további minimalizálása érdekében az SHT31-D és az RF Link Transmitter az ATtiny85 kimenetként konfigurált digitális I/O porttűjéről táplálkozik. A tápfeszültség akkor kerül bekapcsolásra, ha az I/O csapot magasra hajtják (1), és kikapcsolják, ha az I/O csap alacsonyan van (0). A szoftvereken keresztül ezek a perifériák csak 10 percenként kapnak áramot 1-2 másodpercig, miközben méréseket végeznek és továbbítanak. A kapcsolódó szoftver leírását lásd a 434 MHz-es vezeték nélküli távoli szoftverben.

A 434 MHz-es vezeték nélküli távirányító egyetlen másik összetevője egy 10K ohmos ellenállás, amelyet az ATtiny85 Reset csapjának felhúzására használnak.

Egy korai tervezés egy rezisztív feszültségosztót használt az akkumulátoron, hogy lehetővé tegye az ATTINY85 ADC csapját az akkumulátor feszültségének mérésére. Bár kicsi, ez a feszültségosztó állandó terhelést ró az akkumulátorra. Egyes kutatások olyan trükköt mutattak be, amely az ATtiny85 belső 1.1 V -os sávrés referenciafeszültségét használja a Vcc (akkumulátor feszültség) mérésére. Az ADC referenciafeszültség Vcc értékre állításával és a belső 1,1 V referenciafeszültség mérésével megoldható a Vcc. Az ATtiny85 belső 1.1 V referenciafeszültsége állandó, amíg Vcc> 3 V. A kapcsolódó szoftver leírását lásd a 434 MHz-es vezeték nélküli távoli szoftverben.

Az ATtiny85 és az SHT31-D közötti kommunikáció I2C buszon keresztül történik. Az Adafruit SHT31-D kitörőtábla felhúzó ellenállásokat tartalmaz az I2C buszhoz.

Az ATtiny85 és az RF Link Transmitter közötti kommunikáció kimenetként konfigurált digitális I/O tűn keresztül történik. Az RH_ASK RadioHead Packet Radio könyvtár az RF Link-adó ki- és bekapcsolására szolgál (OOK / ASK) ezen a digitális I / O tűn keresztül.

2. lépés: 434 MHz-es vezeték nélküli távoli hardver

Alkatrész lista:

1 x Adafruit 1/4 méretű kenyérlap, Digikey PN 1528-1101-ND

1 x elemtartó 3 x AA cella, Digikey PN BC3AAW-ND

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

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

1 db ATtiny85 mikrokontroller, Digikey PN ATTINY85-20PU-ND

1 db 8 tűs DIP aljzat, Digikey PN AE10011-ND

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

6,75 / 17 cm 18AWG zománcozott rézhuzal hossza

1 db darab kétoldalas habszalag

18 / 45cm huzalcsomagoló huzal

Az ATtiny85 aljzatot használja, mivel az áramkörön belüli programozás nem támogatott.

Az SHT31-D megszakítópanel, az RF Link-adó, a 8-tűs DIP-foglalat és az antennavezeték a kenyérsütő lemezre van forrasztva, a fenti képen látható módon. Távolítsa el a zománcot a 18AWG antennahuzal 1/4 -es hüvelykéről, mielőtt a kenyérlaphoz forrasztja.

A 10K ohmos ellenállás a 8-tűs DIP-foglalat 1-es és 8-as csapjai közé van forrasztva a kenyértáblán.

A huzalcsomagoló huzal forrasztva van a kenyértábla hátoldalán, hogy az alkatrészek közötti kapcsolatokat az előző lépésben bemutatott Wireless Remote sematikus diagramja szerint hozza létre.

Az elemtartó pozitív és negatív vezetékét a "+" és a "-" buszok egyik sorához forrasztják a kenyértáblán.

A 434 MHz-es vezeték nélküli távirányítót a Wireless Bridge és a LoRa IOT Gateway teszteli. A 434 MHz-es vezeték nélküli távirányító azonnal küld egy csomagot minden egyes elem behelyezésekor, majd ezt követően ~ 10 percenként. Amikor vezeték nélküli csomagot kap a 434 MHz-es érzékelőrétegtől, a vezeték nélküli híd zöld LED-je ~ 0,5 másodpercig villog. Az állomás nevét, hőmérsékletét és páratartalmát a LoRa IOT Gateway-nek kell megjelenítenie, ha a 434 MHz-es vezeték nélküli távoli állomás számát megadta az átjáróban.

Miután a vezeték nélküli távirányítót megfelelően tesztelték egy programozott ATtiny85 készülékkel, a kétoldalas habszalag egy darabját, amelyet a kenyérsütővel megegyező méretűre vágnak, a kész kenyérlap elhelyezésére használják az elemtartóban.

3. lépés: 434 MHz-es vezeték nélküli távoli szoftver

A 434 MHz-es vezeték nélküli távoli szoftver ehhez a lépéshez kapcsolódik, és jól megjegyzi.

Az ATtiny85 mikrovezérlőket egy Sparkfun Tiny AVR programozó és az Arduino IDE segítségével programoztam. A Sparkfun kiterjedt oktatóanyaggal rendelkezik az illesztőprogramok és stb. Beállításáról, valamint arról, hogy a programozó hogyan dolgozzon együtt az Arduino IDE -vel.

Hozzáadtam egy ZIF (Zero Insertion Force) foglalatot a Tiny AVR programozóhoz, hogy megkönnyítse a chipek hozzáadását és eltávolítását a programozóból.

4. lépés: Vezeték nélküli híd hardvere

Alkatrész lista:

1 db Arduino Uno R3, Digikey PN 1050-1024-ND

1 db Adafruit Proto Shield Arduino Stack V. R3, Digikey PN 1528-1207-ND

1 db Adafruit RFM9W LoRa rádió adó-vevő kártya (915 MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

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

1 db 8 tűs DIP aljzat, Digikey PN AE10011-ND

6,75 / 17 cm 18AWG zománcozott rézhuzal hossza

3,25 hüvelyk / 8,5 cm 18AWG zománcozott rézhuzal hossza

24 / 61cm huzalcsomagoló huzal

1 x USB kábel A / MicroB, 3 láb, Adafruit PID 592

1 db 5V 1A USB portos tápegység, Adafruit PID 501

Szerelje össze a prototípuspajzsot az Adafruit.com webhelyen található utasítások szerint.

Szerelje össze az RFM95W LoRa adó -vevő kártyát az Adafruit.com webhelyen található utasítások szerint. Az antennához a 8,25 cm hosszú, 18AWG vezeték 3,25 hüvelyk / 8,5 cm hosszúságát használják, és közvetlenül az adó -vevő panelhez forrasztják, miután a zsinórt 1/4 -os mértékben eltávolították a vezetékről.

Óvatosan vágja félbe a 8 tűs DIP aljzatot, hogy két 4 tűs SIP foglalatot készítsen.

Forrasztja a két 4 tűs SIP aljzatot a prototípus-pajzshoz az ábrán látható módon. Ezeket az RF Link vevőegység csatlakoztatására használják, ezért a forrasztás előtt győződjön meg arról, hogy a megfelelő lyukakban vannak, hogy illeszkedjenek az RF Link távadóhoz.

Forgassa az RFM9W LoRa adó -vevő kártyát a prototípus -pajzshoz az ábrán látható módon.

A következő kapcsolatok jönnek létre az Arduino Uno és az RFM9W adó -vevő kártya között a prototípus -panel felső oldalán lévő huzalcsomagoló huzal segítségével:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, RadioHead könyvtár a 0 megszakítást használja ezen a tűn

RFM9W SCK Arduino ICSP fejléc, 3. tű

RFM9W MISO Arduino ICSP fejléc, 1. tű

RFM9W MOSI Arduino ICSP fejléc, 4. tű

RFM9W CS Arduino Digital I/O Pin 8

RFM9W RST Arduino Digital I/O Pin 9

A prototípus -tábla alsó oldalán a következő csatlakozások vannak:

RFM9W VIN prototípus -tábla 5V -os busz

RFM9W GND Prototyping board ground (GND) busz

RF Link Rx Pin 1 (GND) Prototyping board ground (GND) busz

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

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Prototípus -tábla 5V -os busz

Proto Board Zöld LED Arduino Digital I/O Pin 7

Az RF link vevőkészülék tűinek adatai a www.sparkfun.com webhelyen érhetők el.

Vágja le a zománcot a 18AWG vezeték 6,75 hüvelyk hosszúságának 1/4 -étől, és helyezze be a prototípus -lemez lyukába, közvetlenül az RF Link Rx 8 (antenna) szomszédságában. Miután behelyezte a lyukba, hajlítsa meg a lecsupaszított végét, hogy érintkezzen az RF Link Rx 8. tűvel, és forrasztja a helyére.

Programozza be az Arduino Uno programot a következő lépésben megadott vázlattal. Visszaállításkor vagy bekapcsoláskor a zöld LED kétszer felvillan 0,5 másodpercig. Amikor vezeték nélküli csomagot kap a 434 MHz-es érzékelőrétegtől, a zöld LED ~ 0,5 másodpercig villog.

5. lépés: Wireless Bridge szoftver

A Wireless Bridge szoftvert ezzel a lépéssel csatolták, és jól megjegyzik.