שכבת חיישן IOT אלחוטית חדשה למערכת ניטור סביבה ביתית: 5 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

הוראה זו מתארת שכבת חיישן IOT אלחוטית בעלות נמוכה יותר המופעלת באמצעות סוללה עבור מערכת הניטור הסביבתית הביתית שלי LoRa IOT. אם עדיין לא צפיתם במדריך זה קודם לכן, אני ממליץ לקרוא את ההקדמה לקבלת סקירה כללית של יכולות המערכת המורחבות כעת לשכבת חיישן חדשה זו.

מערכת ניטור הסביבה הביתית המקורית של LoRa IOT השיגה את היעדים שהצבתי כאשר פורסמה באפריל 2017. עם זאת, לאחר שהשתמשתי במערכת הניטור במשך מספר חודשים לניטור הטמפרטורה והלחות בכל קומה בבית, רציתי להוסיף עוד 11 חיישנים במקומות פגיעים במיוחד בבית; כולל שישה חיישנים הממוקמים אסטרטגית במרתף, חיישנים בכל חדר אמבטיה וחיישן בעליית הגג, הכביסה והמטבח.

במקום להוסיף עוד חיישנים מבוססי LoRa ממכשיר ההוראה הקודם שהם מעט יותר יקרים ומונעים באמצעות מתאמי AC, החלטתי להוסיף שכבה בעלות נמוכה יותר, חיישנים המופעלים באמצעות סוללה באמצעות משדרי RF Link 434 מגה-הרץ. כדי לשמור על תאימות עם מערכת הניטור הסביבתית הקיימת של LoRa IOT, הוספתי גשר אלחוטי כדי לקבל את מנות 434 מגה-הרץ ולשדר אותן שוב כמנות LoRa במהירות של 915 מגה-הרץ.

שכבת החיישנים החדשה מורכבת מתתי המערכות הבאות:

1. שלט אלחוטי 434 מגה -הרץ - חיישני טמפרטורה ולחות המופעלים באמצעות סוללות
2. Wireless Bridge - מקבל מנות 434 מגה -הרץ ושדר אותן מחדש כמנות LoRa.

שלטי 434 מגה-הרץ משתמשים בעוצמת שידור נמוכה יותר ופרוטוקולים פחות חזקים בהשוואה למכשירי רדיו LoRa, כך שמיקום הגשר האלחוטי בבית נבחר על מנת להבטיח תקשורת אמינה עם כל השלטים האלחוטיים של 434 מגה-הרץ. השימוש בגשר האלחוטי מאפשר לייעל את התקשורת עם השלטים האלחוטיים של 434 מגה-הרץ, מבלי להציב מגבלה על המקום שבו נמצא שער ה- LoRa IOT.

שלטי 434 מגה-הרץ והגשר האלחוטי בנויים באמצעות מודולי חומרה זמינים וכמה רכיבים בודדים. את החלקים ניתן להשיג ב- Adafruit, Sparkfun ו- Digikey; במקרים רבים, חלקי Adafruit ו- Sparkfun זמינים גם ב- Digikey. יש צורך בכישורי הלחמה מוכשרים כדי להרכיב את החומרה, בפרט את החיווט מנקודה לנקודה של שלטי 434 מגה-הרץ האלחוטיים. קוד Arduino זכה להערות טובות להבנה ולאפשר הרחבה קלה של הפונקציונליות.

מטרות הפרויקט כללו את הדברים הבאים:

• מצא טכנולוגיה אלחוטית בעלות נמוכה יותר המתאימה לסביבות ביתיות.
• לפתח חיישן אלחוטי המונע באמצעות סוללות המסוגל לפעול מספר שנים על סט סוללות אחד.
• אין צורך לשנות את החומרה או התוכנה של LoRa IOT Gateway ממכשיר ההוראה הקודם שלי.

עלות החלקים הכוללת עבור השלטים האלחוטיים של 434 מגה-הרץ, למעט סוללות 3xAA, היא 25 $, מתוכם חיישן הטמפרטורה והלחות SHT31-D מהווה יותר ממחצית (14 $).

בדומה לשלטים של LoRa ממכשיר ההוראה הקודם שלי, גם שלטי 434 מגה-הרץ לוקחים קריאות טמפרטורה ולחות ומדווחים לשער ה- LoRa IOT, דרך הגשר האלחוטי, כל 10 דקות. 11 השלטים האלחוטיים של 434 מגה-הרץ הוכנסו לפעולה בדצמבר 2017 באמצעות 3 סוללות AA מסוג x. קריאות הסוללה מאחד עשר החיישנים בדצמבר 2017 נעו בין 4.57V ל- 4.71V, שישה עשר חודשים מאוחר יותר במאי 2019 קריאות הסוללה נעות בין 4.36V ל- 4.55V. השימוש בחלקים עם טווח מתח הפעלה רחב אמור להבטיח את פעולתם של החיישנים למשך שנה נוספת או יותר, בכפוף לשמירה על אמינות הקישור RF כאשר עוצמת השידור מופחתת עם מתח סוללה נמוך יותר.

האמינות של שכבת החיישנים של 434 מגה-הרץ הייתה מצוינת בסביבת הבית שלי. שכבת החיישנים החדשה נפרסת על פני שטח של 4, 200 מ"ר של שטח מוגמר ו -1,800 מ"ר של שטח מרתף שלא הסתיים. חיישנים מופרדים מהגשר האלחוטי על ידי שילוב של 2 - 3 קירות פנימיים ורצפה/תקרות. שער ה- LoRa IOT ממכשיר ההוראה הקודם שלי שולח התראת SMS אם התקשורת אובדת עם חיישן במשך יותר מ -60 דקות (6 דיווחים על עשר דקות שהוחמצו). חיישן אחד, על הרצפה בפינה בקצה הרחוק של המרתף מאחורי ארגזים מוערמים, יגרום להתראה על מגע אבוד מדי פעם, אולם בכל מקרה התקשורת עם החיישן יוצרת מחדש ללא כל התערבות.

תודה שביקרת בהנחיה זו, אנא עיין בשלבים הבאים למידע נוסף.

1. עיצוב חיישן אלחוטי המופעל באמצעות סוללה
2. חומרה מרחוק אלחוטית 434 מגה-הרץ
3. תוכנה מרחוק אלחוטית 434 מגה-הרץ
4. חומרת גשר אלחוטית
5. תוכנת Wireless Bridge

שלב 1: עיצוב חיישן אלחוטי המופעל באמצעות סוללות

העיצוב של השלט האלחוטי 434 מגה-הרץ משתמש בחלקים הבאים:

• ATtiny85 מיקרו-בקר AVR 8 סיביות
• Sensirion SHT31 -D - לוח פריצת חיישן טמפרטורה ולחות
• משדר RF Link Sparkfun 434-MHz
• נגד 10K אוהם

אחת מהחלטות העיצוב המוקדמות הייתה להימנע ממכשירים הדורשים 3.3V או 5V מוסדרים, ולבחור חלקים הפועלים בטווח מתח רחב. זה מבטל את הצורך בווסת מתח שהם בזבוז חשמל בעיצוב המופעל על ידי סוללות, ומאריך את חיי הפעולה של החיישנים מכיוון שהם ימשיכו לתפקד זמן רב יותר ככל שמתח הסוללה יורד לאורך זמן. טווחי מתח ההפעלה של החלקים שנבחרו הם כדלקמן:

• ATtiny85: 2.7V עד 5.5V
• SHT31-D: 2.4V עד 5.5V
• RF קישור Tx: 1.5V עד 12V

מה שמאפשר מרווח מסוים, השלטים האלחוטיים של 434 מגה-הרץ אמורים לפעול באופן תפקודי עד לסוללה של 3V. כפי שכבר צוין, רק נותר לראות עד כמה אמינות הקישור RF נשמרת היטב כאשר עוצמת השידור מצטמצמת עם מתח סוללה נמוך יותר.

ההחלטה התקבלה להשתמש בסוללות 3 x AA כדי לספק מתח התחלתי נומינלי של 4.5V. לאחר 16 חודשי פעולה, מתח הסוללה הנמוך ביותר שנמדד הוא 4.36V.

טיימר כלב השעון ATtiny85 (WDT) משמש לשמירה על רובד אלחוטי 434 מגה-הרץ במצב שינה במשך רוב הזמן. ה- ATtiny85 מתעורר על ידי ה- WDT כל 8 שניות כדי להגדיל מונה של 10 דקות; עם הגעת מרווח של 10 דקות, נערכת מדידה וחבילת נתונים מועברת.

כדי לצמצם עוד יותר את צריכת החשמל, משדר SHT31-D ו- RF Link מופעל באמצעות סיכת יציאת קלט/פלט דיגיטלית ב- ATtiny85 המוגדרת כפלט. כוח מופעל כאשר סיכת הקלט/פלט מונעת גבוה (1), ומוסרת כאשר סיכת הקלט/פלט מונעת נמוכה (0). באמצעות תוכנה, החשמל מופעל רק על ציוד היקפי זה כל 10 דקות למשך 1-2 שניות בזמן מדידות הנלקחות והשידור. עיין בתוכנה מרחוק אלחוטית 434 מגה-הרץ לתיאור התוכנה הקשורה.

הרכיב הנוסף היחיד המשמש בשלט האלחוטי 434 מגה-הרץ הוא נגד 10K אוהם המשמש למשוך את סיכת האיפוס ב- ATtiny85.

עיצוב מוקדם השתמש במפריד מתח התנגדות על פני הסוללה כדי לאפשר סיכת ADC ב- ATTINY85 למדידת מתח הסוללה. למרות שהוא קטן, מחלק המתח הזה הטיל עומס קבוע על הסוללה. חלק מהמחקרים העלו טריק שמשתמש במתח ההתייחסות הפנימי של רצועת הלהקה הפנימית של 1.1t ATT למדידת Vcc (מתח סוללה). על ידי הגדרת מתח ההתייחסות ל- ADC ל- Vcc ולקיחת מדידה של מתח הייחוס 1.1V הפנימי, ניתן לפתור עבור Vcc. מתח הייחוס הפנימי 1.1V ATTiny85 קבוע כל עוד Vcc> 3V. עיין בתוכנה מרחוק אלחוטית 434 מגה-הרץ לתיאור התוכנה הקשורה.

התקשורת בין ATtiny85 ל- SHT31-D מתבצעת באמצעות אוטובוס I2C. לוח הפריצה של Adafruit SHT31-D כולל נגדי משיכה לאוטובוס I2C.

התקשורת בין ATtiny85 לבין משדר הקישור RF מתבצעת באמצעות פין קלט/פלט דיגיטלי המוגדר כפלט. ספריית רדיו RadioHead Packet RH_ASK משמשת למפתח-כיבוי (OOK / ASK) למשדר הקישור RF באמצעות סיכת קלט / פלט דיגיטלית זו.

שלב 2: חומרה מרחוק אלחוטית 434 מגה-הרץ

רשימת חלקים:

1 x קרש קרשים בגודל 1/4 של Adafruit, Digikey PN 1528-1101-ND

1 x מחזיק סוללות 3 x תאי AA, Digikey PN BC3AAW-ND

1 x Adafruit Sensiron SHT31-D לוח פריצה, Digikey PN 1528-1540-ND

1 x משדר RF קישור Sparkfun (434-MHz), Digikey PN 1568-1175-ND

1 x מיקרו-בקר ATtiny85, Digikey PN ATTINY85-20PU-ND

1 x 8 פינים DIP שקע, Digikey PN AE10011-ND

1 x 10K אוהם, 1/8W נגד, Digikey PN CF18JT10K0CT-ND

17.75 ס מ אורך חוט נחושת אמייל 18AWG

1 x קלטת קצף דו צדדית

חוט גלישת חוטים בגודל 18 אינץ ' / 45 ס מ

שקע משמש ל- ATtiny85 מכיוון שאין תמיכה בתכנות במעגל.

לוח הפריצה SHT31-D, משדר RF Link, שקע DIP בעל 8 פינים וחוט אנטנה מולחמים על לוח הלוח כפי שמוצג בתמונה למעלה. הסר את האמייל מ 1/4 אינץ 'מחוט האנטנה 18AWG לפני ההלחמה ללוח הלחם.

הנגד 10K אוהם מולחם על לוח הלחם בין סיכות 1 ו -8 של שקע ה- DIP בעל 8 פינים.

חוט עטיפת החוט מולחם על חלקו האחורי של לוח הלחם כדי ליצור את הקישורים בין הרכיבים בהתאם לתרשים הסכמטי של מרחוק אלחוטי המוצג בשלב הקודם.

ההובלות החיוביות והשליליות ממחזיק הסוללות מולחמות לסט אחד של אוטובוסים "+" ו- "-", בהתאמה, על לוח הלחם.

שלט אלחוטי 434 מגה-הרץ נבדק עם הגשר האלחוטי ו- LoRa IOT Gateway. השלט האלחוטי 434 מגה-הרץ ישלח מיד חבילה בכל פעם שהחברת הסוללות וכל ~ 10 דקות לאחר מכן. עם קבלת חבילה אלחוטית משכבת החיישנים של 434 מגה-הרץ, הנורית הירוקה בגשר האלחוטי מהבהבת למשך ~ 0.5 שניות. יש להציג את שם התחנה, הטמפרטורה והלחות על ידי LoRa IOT Gateway אם מספר התחנה האלחוטית של 434 מגה-הרץ הוקצה בשער.

לאחר שהשלט האלחוטי נבדק תקין עם ATtiny85 מתוכנת, פיסת סרט הקצף הדו-צדדי, החתוך באותו גודל כמו לוח הלחם, משמשת לחיבור לוח הלחם שהושלם למחזיק הסוללה.

שלב 3: תוכנה מרחוק אלחוטית 434 מגה-הרץ

תוכנת השלט האלחוטי של 434 מגה-הרץ מצורפת לשלב זה וזוכה להערות טובות.

תיכננתי את בקרי המיקרו ATtiny85 באמצעות מתכנת Sparkfun Tiny AVR ו- Arduino IDE. ל- Sparkfun יש הדרכה מקיפה כיצד להגדיר מנהלי התקנים וכו 'וכיצד לגרום לתכנת לעבוד עם ה- Arduino IDE.

הוספתי שקע ZIF (Zero Insertion Force) לתכנת ה- AVR הזעיר כדי להקל להוסיף ולהסיר שבבים מהתכנת.

שלב 4: חומרת גשר אלחוטית

רשימת חלקים:

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 לוח משדר רדיו של Adafruit RFM9W LoRa (915-MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

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

1 x 8 פינים DIP שקע, Digikey PN AE10011-ND

אורך 17.75 ס"מ / 17 ס"מ של חוט נחושת אמייל 18AWG

3.25 אינץ ' / 8.5 ס מ אורך חוט נחושת אמייל 18AWG

חוט גלישת חוטים בגודל 24 אינץ ' / 61 ס מ

1 x כבל USB A / MicroB, 3 רגל, Adafruit PID 592

ספק כוח 1 x 5V 1A יציאת USB, Adafruit PID 501

הרכיב את מגן האב טיפוס בהתאם להוראות ב- Adafruit.com.

הרכיב את לוח משדר RFM95W LoRa בהתאם להוראות באתר Adafruit.com. אורך 3.25 אינץ ' / 8.5 ס"מ של חוט 18AWG משמש לאנטנה, והוא מולחם ישירות ללוח המקלט לאחר הפשטת 1/4 "אמייל מהחוט.

חותכים בזהירות את שקע ה- DIP בעל 8 פינים לחצי אורך כדי ליצור שתי קבוצות של שקעי SIP מסוג 4 פינים.

הלחם את שני שקעי SIP של 4 פינים למגן האב טיפוס כפי שמוצג. אלה ישמשו לחיבור מקלט RF Link, לכן וודא שהם נמצאים בחורים הנכונים כך שיתאימו למשדר RF Link לפני הלחמה.

הלחם את לוח המשדר RFM9W LoRa למגן האב טיפוס כפי שמוצג.

החיבורים הבאים נעשים בין ה- Arduino Uno ללוח משדר RFM9W באמצעות חוט עוטף תיל בצד העליון של לוח האב טיפוס:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, ספריית RadioHead משתמשת ב- Interrupt 0 בסיכה זו

כותרת RFM9W SCK Arduino ICSP, סיכה 3

כותרת RFM9W MISO Arduino ICSP, סיכה 1

כותרת RFM9W MOSI Arduino ICSP, סיכה 4

RFM9W CS ארדואינו דיגיטלי קלט/פלט 8

RFM9W RST Arduino Digital I/O Pin 9

החיבורים הבאים נעשים בצד התחתון של לוח האב טיפוס:

אוטובוס 5V RFF9W VIN

אוטובוס קרקע (GND) RFM9W GND

אוטובוס RF Link Rx Pin 1 (GND) לוח אב טיפוס (GND)

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

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) לוח אב טיפוס 5V

לוח Proto לוח ירוק Arduino Digital I/O Pin 7

מידע על סיכה עבור מקלט הקישור RF זמין באתר www.sparkfun.com.

הפשיטו את האמייל מ 1/4 'מאורך 6.75 אינץ' של חוט 18AWG והכניסו אותו לתוך חור לוח האב טיפוס הצמוד מיד לפין RF Link Rx 8 (אנטנה). צור קשר עם RF Link Rx Pin 8 והלחם אותו במקומו.

תכנות את ה- Arduino Uno עם הסקיצה המופיעה בשלב הבא. לאחר איפוס או הפעלה, הנורית הירוקה מהבהבת פעמיים למשך 0.5 שניות. עם קבלת חבילה אלחוטית משכבת החיישנים של 434 מגה-הרץ, הנורית הירוקה מהבהבת למשך ~ 0.5 שניות.

שלב 5: תוכנת Wireless Bridge

תוכנת Wireless Bridge מצורפת עם שלב זה וזוכה להערות טובות.