חיישן טמפרטורה ולחות WiFi IoT. חלק: 8 IoT, אוטומציה ביתית: 9 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

הַקדָמָה

מאמר זה מתעד את ההתבססות המעשית וההתפתחות הלאה של מכשיר הוראה מוקדם יותר: 'סרסור' מכשיר ה- IoT WiFi הראשון שלך. חלק 4: IoT, אוטומציה ביתית כולל כל פונקציונליות התוכנה הדרושה כדי לאפשר את הפריסה המוצלחת בסביבה ביתית ביתית.

מבוא

כפי שצוין לעיל הוראה זו מתארת חיבור דוגמה קודמת של IoT עם עיצוב מערכות אמין המאפשר טיפול מוצלח במקרי שימוש מעשיים כגון; אובדן חשמל קטסטרופלי, כשל ב- MQTT Broker, כשל ב- WiFi N/W, תצורה מחדש של חיישן מרחוק, אסטרטגיית דיווח הניתנת להגדרה להפחתת תעבורת הרשת וכיול חיישן בהתאמה אישית.

בסך הכל נוצרו 6 התקני כיבוי (ראו תמונה 1 למעלה) והופצו ברחבי ביתי ליצירת רשת חיישן IoT הראשונה שלי.

The Instructable רואה גם סקירה של מוסכמת שמות ה- MQTT כפי שהיא משמשת בסדרת ה- IoT Home Automation הראשונית המפנה את מקומה למבנה מאוזן ומעשי יותר המאפשר ניפוי פשוט יותר של תעבורת IoT בסביבת מכשירי IoT מרובים.

להלן פרטי העיצוב המלאים של חיישן IoT כולל; בנייה, קוד מקור, אסטרטגיית בדיקה ותצורות OpenHAB.

אילו חלקים אני צריך?

1. 1 הנחה על ESP8266-01,
2. 2 קבלים אלקטרוליטיים 1uF,
3. 3 נגדים של 10K,
4. נגד 330R 1 off,
5. חד פעמי 3 מ"מ. לד,
6. 1 הנחה על LD1117-33v, 3v3 LDO VReg. (פארנל כאן),
7. חיישן טמפרטורה/לחות 1 D off22,
8. מחבר כפול 4way כפול 0.1 אינץ ',
9. 1 הנחה על מארז פלסטיק CAMDENBOSS RX2008/S-5, תיבת עציצים, ABS, 38 מ"מ, 23 מ"מ (פארנל כאן),
10. מחבר מתח DC אחד, תקע, 1 A, 2 מ"מ, לוח הר (Farnell כאן),
11. כיבוי קירור אחד ל- TO-220 24.4 ° C/W (פארנל כאן),
12. צינורות כיווץ חום שונים (צהוב, Ebay כאן),
13. כבל סרט IDC באורכים שונים,
14. מתחם כיור קירור,
15. Veroboard,
16. מכשיר תכנות ESP8266-01. ראה כאן; בניית מעגלים מעשית עם לוח רצועות, שלב 9 ואילך.

איזו תוכנה אני צריך?

1. Arduino IDE 1.6.9
2. Arduino IDE הוגדר לתכנת ה- ESP8266-01. ראה כאן; הגדרת ה- IDE של Arduino לתכנת ה- ESP8266-01

אילו כלים אני צריך?

1. מלחם,
2. מקדחה וסיביות שונות,
3. קבצים,
4. מַסוֹר לְמַתֶכֶת,
5. סגן חסון,
6. אקדח חום,
7. DMM.

אילו כישורים אני צריך?

1. הבנה מינימלית של האלקטרוניקה,
2. הכרת Arduino וזה IDE,
3. כישורי ייצור רודמנטרי (הלחמה, ניסור, פריצה, קידוח וכו '),
4. קצת סבלנות,
5. קצת הבנה של הרשת הביתית שלך.

נושאים מכוסים

1. סקירת מעגלים
2. סקירת מערכת תוכנה
3. סקירת תוכנה
4. כיול חיישן
5. אמנת שמות הנושאים MQTT
6. תצורה של OpenHAB
7. בדיקת העיצוב
8. סיכום
9. הפניות בשימוש

קישורים לסדרות

לחלק 7: בקר אורות המחקר (מעובד מחדש). חלק 7: IoT, אוטומציה ביתית

לחלק 9: בקר רשת IoT. חלק 9: IoT, אוטומציה ביתית

שלב 1: סקירת מעגלים

תמונה 1 למעלה מציגה את עיצוב המעגל המלא של חיישן IoT.

בלב מכשיר ה- IoT נמצא ה- ESP8266-01 המחובר לחיישן טמפרטורה/לחות DHT22 באמצעות הנגד של 10K למעלה ל- GPIO2. מקור חיצוני של 5V באמצעות אספקת מצבים ומועבר למכשיר באמצעות שקע הרכבה בלוח DC 2 מ מ ומוסדר באופן מקומי באמצעות ווסת מתח LDO LD1117-33v, 3v3 המותקן על גוף קירור חיצוני עם בורג ואגוז ראש BZP M3..

העיצוב כולל פנס אדום בגודל 3 מ מ המחובר ל- GPIO0 המשמש לתת אינדיקציה מקומית למצב התקן IoT במהלך ההפעלה או כל מצב שגיאה לאחר מכן. ניתן להשתמש בו גם לזיהוי המכשיר באמצעות הפעלה ידנית באמצעות ממשק openHAB.

העיצוב המלא משתלב בקפידה בתוך קופסת עציץ ABS כפי שמוצג למעלה בתמונה 2 והונח במיוחד על מנת להבטיח שהחיישן יהיה רחוק ככל האפשר מהרגולטור כדי למנוע הטיה עקב השפעות חימום מקומיות (תמונה 7 למעלה).

לוח המעגלים הוא חתיכה אחת של veroboard, חתוך לצורה ונעשה כך שיתאים למארז (תמונה 3 למעלה). לוח זה קבוע במקומו בעזרת בורג ניילון שקוע M3 ושני אגוזים המתאימים סמוך לחלקו התחתון של החיישן, ובכך מאפשרים לו לשבת על משטח שטוח.

תמונות 4 … 6 מציגות מצבי בנייה שונים.

שלב 2: סקירת מערכת תוכנה

מכשיר חישת טמפרטורה ולחות זה של IoT מכיל שישה רכיבי תוכנה מרכזיים כפי שמוצג בתמונה 1 למעלה.

SPIFFS

זוהי מערכת הגשת SPI Flash המשולבת המשמשת לאחסון המידע הבא (ראה תמונה 2 למעלה);

• סמלים ו- 'דף הבית של תצורת חיישן': מוגש על ידי מכשיר IoT כאשר הוא אינו מצליח להתחבר לרשת ה- IoT WiFi שלך (בדרך כלל עקב מידע אבטחה שגוי) ומספק למשתמש אמצעי להגדרה מרחוק של החיישן ללא צורך לתכנת מחדש או להעלות תוכן SPIFFS חדש.
• מידע אבטחה: זה מכיל את המידע המשמש בעת הפעלת מכשיר ה- IoT כדי להתחבר לרשת ה- IoT WiFi ול- MQTT Broker. מידע שנשלח באמצעות 'דף הבית של תצורת חיישן' נכתב לקובץ זה ('secvals.txt').
• מידע כיול: המידע הכלול בקובץ זה ('calvals.txt') משמש לכיול חיישן הטמפרטורה/הלחות המשולב במידת הצורך. ניתן לכתוב קבועי כיול למכשיר IoT רק באמצעות פקודות MQTT של מתווך MQTT.

הערה: כדי להגדיר את המכשיר בתחילה ראה כאן לפרטים מלאים על אופן השימוש ב- SPIFFS עם ה- Arduino IDE.

שרת mDNS

פונקציונליות זו מופעלת כאשר מכשיר ה- IoT לא הצליח להתחבר לרשת ה- WiFi שלך כתחנת WiFi ובמקום זאת הפך לנקודת גישה ל- WiFi בדומה לנתב WiFi ביתי. במקרה של נתב כזה בדרך כלל היית מתחבר אליו על ידי הזנת כתובת ה- IP של משהו כמו 192.168.1.1 (בדרך כלל מודפס על תווית המודבקת לתיבה) ישירות לסרגל כתובת הדפדפן שלך ולאחר מכן תקבל דף כניסה להיכנס שם המשתמש והסיסמה כדי לאפשר לך להגדיר את המכשיר.

עבור ESP8266 במצב AP (מצב נקודת גישה) ההתקן כברירת מחדל לכתובת ה- IP 192.168.4.1, אולם כאשר שרת mDNS פועל, עליך להזין רק את השם הידידותי לאדם 'SENSORSVR.local' בשורת כתובת האתר של הדפדפן כדי לראות את 'דף הבית של תצורת חיישן'.

לקוח MQTT

לקוח MQTT מספק את כל הפונקציונליות הנדרשת ל; התחבר למתווך MQTT ברשת IoT שלך, הירשם לנושאים שבחרת ופרסם מטענים בנושא נתון. בקיצור הוא מספק פונקציונליות הליבה של IoT.

שרת אינטרנט

כפי שהוזכר לעיל, אם מכשיר ה- IoT אינו מצליח להתחבר לרשת ה- WiFi אשר SSID, P/W וכו 'מוגדרים בקובץ מידע האבטחה המוחזק ב- SPIFFS המכשיר יהפוך לנקודת גישה. לאחר החיבור לרשת ה- WiFi המסופקת על ידי נקודת הגישה, נוכחותו של שרת אינטרנט HTTP מאפשרת לך להתחבר ישירות למכשיר ולשנות את תצורתו באמצעות דפדפן אינטרנט HTTP שמטרתו להגיש את 'בית תצורת החיישנים' דף האינטרנט של דף המוחזק גם ב- SPIFFS.

תחנת WiFi

פונקציונליות זו מעניקה למכשיר IoT אפשרות להתחבר לרשת WiFi ביתית באמצעות הפרמטרים בקובץ מידע האבטחה, ללא זה מכשיר ה- IoT שלך לא יוכל להירשם/לפרסם ל- MQTT Broker

נקודת גישה WiFi

היכולת להפוך לנקודת גישה ל- WiFi היא אמצעי באמצעותו מכשיר ה- IoT מאפשר לך להתחבר אליו ולבצע שינויים בתצורה באמצעות תחנת WiFi ודפדפן (כגון Safari ב- iPad של אפל).

נקודת גישה זו משדרת SSID = "SENSOR" + 6 הספרות האחרונות של כתובת ה- MAC של התקן IoT. הסיסמה לרשת סגורה זו נקראת בדמיון 'סיסמה'

שלב 3: סקירת תוכנה

כדי לאסוף בהצלחה את קוד המקור הזה תזדקק לספריות הנוספות הבאות;

PubSubClient.h

• מאת: ניק או'לירי
• מטרה: מאפשר למכשיר לפרסם או להירשם לנושאי MQTT עם ברוקר נתון
• מאת:

DHT.h

• מאת: Adafruit
• מטרה: ספרייה לחיישן טמפרטורה/לחות DHT
• מאת:

סקירת קוד

התוכנה עושה שימוש במכשיר המדינה כפי שמוצג בתמונה 1 למעלה (עותק מלא של המקור ניתן להלן). ישנם 5 מצבים עיקריים להלן;

• INIT

  מצב אתחול זה הוא המצב הראשון שנכנס לאחר ההפעלה

• NOCONFIG

  מצב זה נכנס אם לאחר ההפעלה מתגלה קובץ secvals.txt לא חוקי או חסר

• ממתין ל NW

  מצב זה חולף, נכנס בזמן שאין חיבור לרשת WiFi

• תלוי ב- MQTT

  מצב זה חולף, נכנס לאחר חיבור לרשת WiFi ולמרות שאין קשר למתווך MQTT ברשת זו

• פָּעִיל

  זהו המצב התפעולי הנורמלי שנכנס לאחר חיבור רשת WiFi וחיבור MQTT Broker. במהלך מצב זה, פונקציונליות הטמפרטורה והלחות של החיישן מתפרסמת לברוקר MQTT

האירועים השולטים במעברים בין מדינות מתוארים בתמונה 1 לעיל. המעברים בין מדינות כפופים גם לפרמטרים הבאים של SecVals;

• כתובת ה- IP של ברוקר MQTT הראשונה. בצורה עשרונית מנוקדת AAA. BBB. CCC. DDD
• נמל הברוקר MQTT השני. בצורה שלמה.
• חיבור MQTT Broker השלישי מנסה לבצע לפני המעבר ממצב STA למצב AP. בצורה שלמה.
• רשת ה- WiFi ה- SSID הרביעית. בטקסט חופשי.
• סיסמא חמישית לרשת WiFi. בטקסט חופשי.

כפי שצוין לעיל אם מכשיר ה- IoT לא מצליח להתחבר כתחנת WiFi לרשת ה- WiFi אשר SSID ו- P/W מוגדרים ב- secvals.txt המוחזק ב- SPIFFS, מכשיר ה- IoT יהפוך לנקודת גישה. לאחר חיבור לנקודת גישה זו הוא יציג את 'דף הבית של תצורת החיישן' כפי שמוצג למעלה בתמונה 2 (על ידי הזנת 'SENSORSVR.local' או 192.168.4.1 בשורת כתובת האתר של הדפדפנים שלך). דף הבית הזה מאפשר להגדיר מחדש את החיישן באמצעות דפדפן

גישה מרחוק כשהיא במצב ACTIVE

לאחר החיבור למתווך MQTT ניתן גם לכייל מחדש ולתקן את המכשיר מחדש באמצעות פרסומי נושא MQTT. לקובץ calvals.txt יש גישה ל- R/W ול- secvals.txt יש גישה לכתיבה בלבד.

איתור באגים של משתמשים

במהלך רצף האתחול ה- LED של מכשיר IoT נותן את המשוב הבא לאיתור באגים

• 1 הבזק קצר: אין קובץ Config הממוקם ב- SPIFFS (secvals.txt)
• 2 הבזקים קצרים: מכשיר IoT מנסה להתחבר לרשת WiFi
• תאורה מתמשכת: מכשיר IoT מנסה להתחבר ל- MQTT Broker
• כבוי: המכשיר פעיל
• הערה 1: 'דף הבית של תצורת החיישן' אינו משתמש בשקעים מאובטחים ולכן הוא מסתמך על הרשת שלך מאובטחת.
• הערה 2: על מנת לתכנת כל מכשיר IoT מחרוזת MQTT תדרוש עריכה לפני ההורדה. הסיבה לכך היא שמספר החיישן הוטמע במחרוזת הנושאים MQTT. כְּלוֹמַר. 'WFD/THSen/100/HumdStatus/1' עבור 6 המכשירים שלי הם ממוספרים 1 … 6 בהתאמה.

שלב 4: כיול חיישן

כאשר התקן IoT מופעל, כחלק מרצף האתחול נקרא קובץ בשם 'cavals.txt' מ- SPIFFS. תוכן קובץ זה הינו קבועי כיול כפי שצוין לעיל בתמונה 1. קבועי כיול אלה משמשים להתאמת הקריאות הנרכשות מהחיישן בכדי להתאים אותן למכשיר התייחסות. יש ערך נוסף המגדיר אסטרטגיית דיווח עבור המכשיר ומתואר להלן יחד עם ההליך שיבוצע לכיול החיישנים.

אסטרטגיית דיווח פרמטר זה קובע כיצד החיישן המרוחק מדווח על שינויים פרמטריים סביבתיים המקומיים לו. אם נבחר ערך של 0 החיישן המרוחק יפרסם כל שינוי שהוא רואה בערכי הטמפרטורה או הלחות בכל פעם שהחיישן נקרא (בערך כל 10 שניות). כל ערך אחר יעכב את פרסום השינוי ב -1… 60 דקות. שינוי פרמטר זה מאפשר אופטימיזציה של תעבורת רשת MQTT.

כיול טמפרטורה

כדי לכייל את החיישנים הם הונחו בסמיכות פיזית זה לזה כפי שמוצג למעלה בתמונה 2. לצדם הנחתי DMM עם צמד תרמו מכויל (Fluke 87 V) ולאחר מכן עקבתי אחר התפוקות מכל מכשיר באמצעות טמפרטורת OpenHAB דף טרנד במהלך היום כדי לקבל תנופת טמפרטורה טובה. ציינתי הן את הקיזוז הסטטי (אפס C גבוה) ואת קצב השינוי של כל מכשיר (רווח, או שיפוע הגרף 'M') ביחס לזה של הערך שמגיע מהצמד התרמי המכויל. לאחר מכן חישבתי את הקשר הפשוט y = mx+c (מצאתי שהוא ליניארי מספיק כדי להיות קירוב קרוב לגרף קו ישר) ותכננתי את כל התיקונים הדרושים לקבועי הכיול באמצעות MQTTSpy.

המכשירים עברו מעקב אחר 24 שעות נוספות כדי להבטיח שהכיול היה מוצלח. אינדיקציה לכך הייתה עקבות הטמפרטורה בדף טרנד הטמפרטורות של OpenHAB היו כמעט אחת על השנייה.

כמובן שאם אתה מעוניין רק בקירוב לטמפרטורה אתה יכול להשאיר את כל ערכי הכיול כברירת מחדל.

כיול לחות

מכיוון שאין לי אמצעים להקליט או אפילו לשלוט בלחות הסביבה המקומית, לכייל את החיישנים השתמשתי בגישה דומה לזו של האמור לעיל, על ידי הצבת כל המכשירים בסמיכות פיזית (תמונה 2) ופשוט ניטור תפוקתם באמצעות OpenHAB דף נוטה לחות. לאחר מכן בחרתי במכשיר מס '1 כהפניה לכיול וכיבתי את כל המכשירים ביחס לזה.

שלב 5: אמנת שמות הנושאים MQTT

לאחר ניסוי וטעייה רבים, התיישבתי במוסכמת שמות הנושאים המתוארת בתמונה 1 למעלה.

כלומר 'AccessMethod/DeviceType/WhichDevice/Action/SubDevice'

זה לא מושלם אבל זה מאפשר ליישם מסננים שימושיים כדי לראות את כל יציאות החיישן בערך פרמטרי נתון ובכך לאפשר השוואה קלה כמו בתמונה 2 למעלה עם MQTTSpy. הוא תומך גם בקבוצות לוגיות הניתנות להרחבה של פונקציונליות בתוך מכשיר IoT נתון.

ביישום נושאים אלה בתוכנה השתמשתי במחרוזות נושאים מקודדות עם מזהים מספריים קבועים ומוטמעים עבור כל מכשיר, בניגוד ליצירה דינמית של הנושאים בזמן ריצה כדי לחסוך ב- RAM ולשמור על ביצועים גבוהים.

הערה: אם אינך בטוח כיצד להשתמש ב- MQTTSpy ראה כאן 'הגדרת מתווך MQTT. חלק 2: IoT, אוטומציה ביתית '

שלב 6: תצורה של OpenHAB

שיניתי את תצורת OpenHAB שניתנה במדריך הקודם שלי (כאן) והוספתי בערכים בודדים עבור;

• מוּסָך,
• אולם,
• סלון,
• מִטְבָּח
• חדר אורחים
• חדר שינה ראשי

במפת האתר ראו תמונה 1 למעלה.

לכל אחד מהערכים האלה הוספתי מפות אתר בודדות החושפות ערכי סביבה מקומיים (ראה תמונה 2 למעלה);

• טֶמפֶּרָטוּרָה
• לחות
• מד חום

כללתי גם מתג לשליטה על הלד המקומי המותקן בתוך החיישן.

תמונות 3 … 5 מציגות עקבות חיים בודדים במשך 24 שעות לטמפרטורה, לחות ו- RSSI (אינדיקציה לחוזק אות מתקבל, בעצם מדד עד כמה החיישן יכול לראות את רשת ה- WiFi).

תמונה 6 נותנת דוגמה למגמת לחות לטווח ארוך במשך שבוע.

הערה 1: אם אינך בטוח כיצד להשתמש ב- OpenHAB ראה כאן 'הגדרה ותצורה של OpenHAB. חלק 6: IoT, אוטומציה ביתית '

הערה 2: להלן עותק של מפת האתר, כללי ופריטים ששונתה, סמלים וכו '.

שלב 7: בדיקת העיצוב

על פי רוב בדקתי את מכשיר IoT בחיבור MQTT עם MQTT Spy, ניטור פלט לד ותעבור באגים בממשק הטורי. זה איפשר לי לממש את כל הנושאים הרשומים הרשומים ולבדוק את התגובות שפורסמו. למרות שהדבר הושג באופן ידני והיה לפעמים קצת מייגע, הוא איפשר כיסוי של 100%.

אולם מכונת המדינה הראשית הייתה מעט מסובכת לבדיקה מכיוון שהיא הסתמכה על הימצאותה או היעדרה של רשת WiFi, שהגישה אליה דורשת ערכי פרמטרים ספציפיים. זה פשוט לא היה מעשי להשתמש ברשת הביתית לשם כך.

כדי לעקוף בעיה זו יצרתי מערך רשתות דמה משלי באמצעות ESP8266-01 המוגדרות כנקודות גישה (תמונה 1) עם SSID של 'DummyNet1' ו- 'DummyNet2' בהתאמה. השימוש במעגל בתמונה 2 מעל הלד נתן אינדיקציה אם התקן IoT מתחבר אליו. אף על פי שזה לא היה פתרון בדיקה מושלם (כלומר, כל אחת מרשתות ה- WiFi הטובות האלה לא הכילה שרת MQTT), ניתן היה לבדוק את מכשיר המדינה באופן מלא.

צירפתי עותק של קוד המקור למטה.

שלב 8: סיכום

כללי

התוכנה במכשירי ה- IoT עבדה באופן אמין במשך חודשים רבים כעת כשהיא מתאוששת מהפסקות חשמל ביתיות (שנגרמו בעיקר מעצמי). בסך הכל מדובר במכשירים די חזקים שנותנים נתונים עקביים ומדויקים.

שיפורים

בפיתוח שגרות תוכנה לקריאה ולכתיבה ל- SPIFFS כתבתי קוד שבעיני האחורי עשוי להיות קצת יותר מתקדם מכפי שתכננתי, באמצעות מצביעים חלל, שיפוץ מחדש והצעות להצבעות. למרות שהוא מאוד גמיש ועושה את העבודה היטב, בפעם הבאה אני אשתמש ב- JSON משהו בסגנון ConfigFile.ino כדי שזה יהיה קצת יותר פשוט.

• Arduino GIT HUB Core

  https://github.com/esp8266/Arduino

• מקור ConfigFile.ino

  https://github.com/esp8266/Arduino/tree/master/libraries/esp8266/examples/ConfigFile

רשימת משאלות

התכוונתי להשתמש בלקוח mDNS כדי להתחבר לברוקר, אבל הספרייה הייתה פגומה מדי. זו הסיבה שצריך לציין את כתובת ה- IP של ברוקר MQTT לעומת 'MQTTSVR.local'. אם ספריית mDNS תהיה יציבה יותר בעתיד אוסיף את היכולת הזו למכשיר.

היה נחמד להיות אמצעי לניטור מדויק ולבקרה של לחות הסביבה כדי לכייל את החיישנים נגדו. אולם כאמור, שיטת הכיול שנבחרה נותנת קריאות יחסיות טובות ונראית מדויקת למדי בהתאם למפרט בגיליון הנתונים DHT22.

לבסוף, בהתחשב במורכבות התוכנה גיליתי שבדיקה מלאה של הקוד לאחר ששינוי משמעותי הלך ודורש זמן רב. אני יכול לשקול בדיקות אוטומטיות במועד מאוחר יותר.

שלב 9: שימוש בהפניות

השתמשתי במקורות הבאים כדי לחבר את המדריך הזה יחד;

PubSubClient.h

• מאת: ניק או'לירי
• מאת:

DHT.h

• מאת: Adafruit
• מאת:

גיליון נתונים DHT22