חיישן מזג אוויר קומפקטי עם קישור נתונים של GPRS (כרטיס SIM): 4 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:11

סיכום הפרויקט

זהו חיישן מזג אוויר המונע על ידי סוללות המבוסס על חיישן טמפרטורה/לחץ/לחות BME280 ו- ATMega328P MCU. הוא פועל על שתי סוללות ליתיום תיוניל 3.6 וולט. יש לו צריכת שינה נמוכה במיוחד של 6 µA. הוא שולח נתונים חצי שעה באמצעות GPRS (באמצעות מודול SIM800L GSM) ל- ThingSpeak, הנשלט על ידי שעון DS3231 בזמן אמת. השירות המשוער על סט סוללה אחד הוא> 6 חודשים.

אני משתמש בכרטיס SIM של Pay-as-you-go של ASDA, שמציע תנאים טובים במיוחד למטרות הפרויקט הזה, מכיוון שיש לו זמן פקיעה ארוך מאוד לאשראי (180 יום) וגובה רק נפח נתונים של 5p/MB.

מוטיבציה: פיתוח חיישן סביבה חסכוני, ללא תחזוקה, אוטונומי, המונע באמצעות סוללות, שניתן למקם אותו בטבע כדי לרכוש מזג אוויר או נתונים אחרים ולהעביר באמצעות רשת GSM/GPRS לשרת IoT.

מידות פיזיות: 109 x 55 x 39 מ מ (כולל אוגני מארז). משקל 133 גרם. דירוג IP 54 (משוער).

עלות חומר: כ. 20 פאונד ליחידה.

זמן הרכבה: שעתיים ליחידה (הלחמה ביד)

מקור חשמל: שתי סוללות ליתיום תיוניל AA, נטענות (3.6V, 2.6Ah).

פרוטוקול רשת: GSM GPRS (2G)

שימושים אפשריים: כל מיקום מרוחק עם כיסוי אותות GSM. יערות, מגדלורים, מצופים, יאכטות פרטיות, קראוונים, אתרי קמפינג, בקתות מקלט הרים, בניינים לא מיושבים

בדיקת אמינות: יחידה אחת עוברת בדיקות ארוכות טווח ללא השגחה מאז 30.8.20. מלבד קריסת תוכנה אחת, היא שולחת נתונים באופן אמין מדי 30 דקות.

שלב 1: חלקים נדרשים

• PCB בהתאמה אישית. קבצי Gerber מכוסים כאן (נראה ש instructables.com חוסם העלאת קבצי ZIP). המלצתי בחום על jlcpcb.com לייצור PCB. לאנשים המתגוררים בבריטניה, אני שמח לשלוח לך PCB רזרבי תמורת תרומה מינימלית לחומר ולדמי משלוח - שלח לי הודעה.
• ATMega328P-AU
• שעון בזמן אמת DS3231 (ראה פסקה למטה)
• לוח פריצה BME280, כמו זה
• מודול SIM800L GSM GPRS
• חלקי SMD שונים לפי רשימה מפורטת.
• Hammond 1591, מארז ABS שחור, IP54, אוגנים, 85 x 56 x 35 מ"מ, מ- RS Components UK

שינוי DS3231

רשת הנגדים המרובעת המוקפת באדום צריכה להיות לא מולחמת. גם שיטות הרסניות אחרות הן בסדר, אך הימנע מגשר בין הרפידות בשורה הפנימית של 4 רפידות (לכיוון הצד של ה- MCU). ארבעת הרפידות האחרות מחוברות בכל זאת על ידי עקבות PCB. שינוי זה חיוני על מנת לאפשר לסיכת SQW לתפקד כאזעקה. מבלי להסיר את הנגדים, זה לא יעבוד עד שתחבר אספקת VCC למודול, שמביס את המטרה שיש RTC בעל צריכת חשמל נמוכה מאוד.

שלב 2: עקרונות סכמטיים

סדרי העדיפויות העיקריים בעיצוב היו:

• הפעלת סוללה עם צריכת זרם שינה נמוכה
• עיצוב קומפקטי

ספק כוח

שתי סוללות 3.6V Saith Lithium thionyl AA. MOSFET P-channel להגנה על קוטביות הפוכה.

במעגל ישנם שני וויסות מתח:

• וויסת הורדה למטה של 2 אמפר של טקסס אינסטרומנטס TPS562208 להנעת ה- SIM800L בסביבות 4.1V. זה ניתן להחלפה מה- ATMega ומוכנס למצב כיבוי רוב הזמן באמצעות אפשר pin 5.
• וסת MCP1700 3.3V עבור ATMega ו- BME280. זהו וסת יעיל במיוחד עם זרם שקט בסביבות 1 µA בלבד. מכיוון שהוא סובלני רק לכניסה של 6V, הוספתי שתי דיודות מיישר (D1, D2) בסדרה כדי להוריד את אספקת 7.2V לרמה מקובלת סביב 6V. שכחתי להוסיף את קבל הניתוק הרגיל של 10 µF על הלוח עבור אספקת החשמל ב- ATMega. לכן, שדרגתי את קבל הפלט הרגיל ב- MCP1700 מ- 1 ל- 10 µF וזה עובד מצוין.
• ניטור מתח סוללה באמצעות ADC0 ב- ATMega (באמצעות מחלק מתח)

שעון בזמן אמת

DS3231 שונה, שמעיר את ה- ATMega במרווחי זמן מוגדרים כדי להתחיל מחזור מדידה והעברת נתונים. ה- DS3231 עצמו מופעל עם תא ליתיום CR2032.

BME280

ניסיתי להשתמש במודול המקורי של Bosch BME280 בכוחות עצמו, שכמעט בלתי אפשרי להלחם בגלל גודלו הדק. לכן, אני משתמש בלוח הפריצה הזמין. מכיוון שיש לו ווסת מתח מיותר, הצורך אנרגיה, אני מפעיל אותו עם MOSFET בערוץ N ממש לפני המדידות.

SIM800L

מודול זה אמין אך נראה שהוא מזג למדי אם אספקת החשמל אינה מוצקה. גיליתי שמתח אספקת 4.1V עובד הכי טוב. עשיתי את עקבות ה- PCB עבור VCC ו- GND ל- SIM800L עבה במיוחד (20 מיל).

הערות סכמטיות/PCB

• תווית הרשת "1" - המופיעה כ- "SINGLEPIN" ברשימת החלקים מתייחסת פשוט לסיכת כותרת גברית.
• שני הפינים הסמוכים למתג השקופיות צריכים לגשר עם מגשר לפעולה רגילה, אחרת קו VCC פתוח כאן. הם מיועדים למדידות שוטפות במידת הצורך.
• אין צורך בקבל 100 µF (C12) עבור מודול ה- SIM800L. הוא נוסף כאמצעי זהירות (נואש) במקרה של בעיות יציבות צפויות

שלבי הרכבה מומלצים

1. הרכיב את כל רכיבי ספק הכוח בחלק השמאלי התחתון של הלוח. סיכת ההפעלה (סיכה 5) של TPS562208 חייבת להיות גבוהה לוגית לבדיקה, אחרת המודול נמצא במצב כיבוי ויהיה לך פלט 0V. כדי למשוך את הפין Enable גבוה לבדיקה, ניתן לחבר חוט זמני מכרית 9 של ה- ATMega (אשר על הלוח המחובר ל- PIN 5 של ווסת המתח) לנקודת VCC; הנקודה הקרובה ביותר תהיה לסיכה התחתונה של R3, הנמצאת על קו VCC.
2. פלט בדיקה מה- TPS562208 בין הפינים התחתונים של C2, C3 או C4 ו- GND. אמור להיות לך בערך 4.1V.
3. פלט בדיקה מ- MCP1700, בין הפין הימני העליון של U6 ו- GND. אמור להיות לך 3.3V.
4. הלחמה ATMega328P; התבונן בסימון סיכה 1 בפינה השמאלית העליונה. קצת תרגול נדרש, אבל לא קשה מדי.
5. צריבת מטען אתחול על ATMega328 - הדרכות לכך במקומות אחרים. אינך חייב בהכרח להשתמש בכותרות סיכה כדי להתחבר ל- MOSI, MISO, SCK ו- RST. במשך השניות הספורות שלוקח לשרוף את מטען האתחול, אתה יכול להשתמש בחוטי Dupont ולהשתמש במעט זווית כדי להשיג מגע טוב.
6. צרף כותרת סיכה נקבה 5x ל- DS3231.
7. הלחמה SIM800L באמצעות כותרות סיכות גבריות
8. הלחמה BME280
9. העלה קוד ב- Arduino IDE באמצעות מתאם USB2TTL (בחר Arduino Uno/Genuino כיעד).

שלב 3: קוד ארדואינו

עיין בקוד המקור של Arduino בקובץ המצורף.

שלב 4: מבחן בעולם האמיתי

קדחתי שני חורים קטנים בצד ימין של המארז רק עמוק לצד הקדמי. כיסיתי אותם מבפנים עם טלאי גורטקס כדי לאפשר חילופי אוויר אך לא להוציא מים. הוספתי עוד הגנה לגשם עם מעט גגות פלסטיק. לאחר מכן אני מכניס את המכלול המלא למארז כשהרכיבים פונים קדימה והסוללה פונה למכסה. אני מוסיף מעט גריז סיליקון למארז להגנה נוספת על חדירת מים.

היחידה "מותקנת" כיום ליד נהר קטן. להלן הזנת הנתונים החיה.